Большепролетные алюминиевые конструкции: история и современность

Конструктивные решения

Многие крупные значимые объекты построены в СССР в 50–60 гг. с использованием алюминия в конструкциях большепролетных покрытий. Конструкции, как обычно, включали кровельные панели из алюминия, уложенные на несущий элемент, выполненный также из алюминия (арки пролетом 90 м для синхрофазотрона в Серпухове) или стали (фермы двухсекционного ангара в Алма-Ате пролетом 2х84 м, фермы пролетом 48 мзданий ТЭЦ на Байкале и Селенге и др.). Несмотря на высокую стоимость алюминия применение этих конструкций оправдывалось особыми технологическими требованиями (Серпухов), высокой сейсмичностью (Алма-Ата), удаленностью объектов и т. п.

Качественно новая конструкция из алюминия — пространственный блок покрытия — была разработана в 1966 г. Каркас блока включает две продольные фермы, прогоны в уровне поясов ферм и вертикальные связи. К каркасу прикреплены кровельная и потолочная обшивки из тонколистового алюминия, первую из которых обычно крепят в растянутом состоянии. Собирают блоки на земле, оснащают утеплителем, огнезащитой и пароизоляцией, получая готовые крупноразмерные элементы покрытия, совмещающие несущие и ограждающие функции.

Впервые такая конструкция была реализована в 1971 г. в Москве при поддержке академика А. Ф. Белова. В последующие годы успешно осуществлен ряд уникальных проектов (табл. 1).

Объект	Пролет (м)	Расход Al (кг/кв. м)	Вес (кг/кв. м)	Город	Генпроектировщик
Выставочный павильон	30	13	20	Москва	ЦНИИЭП жилища
Дом мебели	36	15	22	Рига	Латвгражданпроект
Легкоатлетический манеж	48	18	25	Кишинев	Кишиневгражданпроект
УДС «Крылья Советов»	60	20	30	Москва	ЦНИИЭП жилища
Выставочный павильон	84	20	32	Москва	ЦНИИЭП жилища
Дворец спорта «Рубин»	60	23	35	Тюмень	Тюменьгражданпроект
Киноконцертный зал	36	20	28	Ялта	Ленгипротеатр

Последовательность приведенных в таблице 1 объектов не случайна. Как видим, растут размеры блоков, реализуются различные архитектурные решения, меняются условия строительства и эксплуатации, что способствует выявлению области эффективного применения алюминиевых сплавов в строительстве.

Покрытие в Риге состоит из блоков размером в плане 6х36 м, и тонколистовая конструкция впервые использована в атмосфере морского побережья. Манеж в Кишиневе построен в сейсмической зоне, размеры блоков в плане — 6х48 м.

Покрытие Универсального дворца спорта «Крылья Советов» возведено над существующим катком из блоков размером 4х60 м. Блоки покрытия выставочного павильона уникальны по размерам (6х84 м) и по очертанию.

Покрытие Дворца спорта «Рубин» в Тюмени выполнено из блоков размером 6х60 м и смонтировано над существующим катком с трибунами на 3 500 зрителей. Трансформируемое покрытие в Ялте возведено на набережной над существующей концертной площадкой на 2 800 зрителей, подвержено воздействию морской атмосферы и 8-балльной сейсмики. Оно состоит из шести трапециевидных в плане блоков, крайние из которых неподвижны, а средние смонтированы с возможностью надвижки на крайние блоки.

Скоростные темпы монтажа можно проиллюстрировать на примере покрытия УДС «Крылья Советов» площадью 60х92 м, состоящего из 23 блоков весом по 7,5 т. Сборку осуществляли в сборно-разборном ангаре, выпуская по два блока в неделю. Работы велись в осенне-зимний период, и ангар обогревался воздуходувками. Подъем блока выполнялся за 20–30 мин. одним краном.

Также в короткие сроки смонтировано покрытие выставочного павильона площадью 84х114 м, состоящего из 19 блоков весом по 15 т. Здесь собирали по два блока каждые 10 дней. В связи со значительными габаритами блоки поднимали посредством двух подъемно-транспортных тележек. Время подъема не превышало 1 час.

Широкие возможности алюминиевых конструкций убедительно иллюстрирует также ряд проектов, оставшихся нереализованными (табл. 2) в связи с перестройкой экономики в стране.

Для завода «Севкабель» разработан проект реконструкции цеха длиной 400 м и шириной свыше 100 м без остановки производства. Пролет блока — 109 м, ширина — 24 м.Несущими элементами блока служат две алюминиевые арки со стальными затяжками. Для сокращения отапливаемого объема арки размещены вне здания, а кровля расположена поверх затяжек, к которым подвешены четыре 5-тонных кран-балки. Вдоль здания устанавливаются два ряда колонн, блоки собираются в торце здания и последовательно надвигаются в проектное положение. Демонтаж старых конструкций выполняется кран-балками, которые затем используются в производственном процессе.

Спроектирован раскрывающийся куполдиаметром 90 м для бассейна, разработаны блоки шириной 12 и пролетом 45 и 54 м для главных корпусов ТЭС. Для покрытия склада разработаны блоки шириной 6 м с внешними несущими арками и кровельной обшивкой в уровне затяжки. Склад неотап-ливаемый и предназначен для хранения агрессивных сыпучих материалов.

Табл. 2

Объект	Пролет (м)	Расход Al (кг/кв. м)	Город	Генпроектировщик
Завод «Севкабель»	109	22 Al + 16 Ст	Ленинград	Ленпромстройпроект
Бассейн «Москва»	Ø 90	32	Москва	Моспроект-4
Главный корпус ТЭС	45 и 54	18 и 20	Типовой проект	Теплоэлектропроект
Раздвижная крыша БСА из двух створок	120х180	50	Москва	ЦНИИЭП жилища
Раздвижная крыша БСА из четырех створок	120х180	45	Москва	ЦНИИЭП ЗЗ и СС
Склад	60	20	Москва	Союздорпроект
Аквапарк в Лужниках	до 64	23	Москва	Моспроект-4
Ледовый дом И. Родниной	45	16	Москва	Моспроект-4
Аквапарк в Ясенево	45 + 24	18	Москва	«Сергей Киселев и партнеры»
Футбольный манеж	75	26	Москва	Моспроект-4
Навесы для вокзала	24 — 86	от 14 до 25	Нижний Новгород	Новгороджелдорпроект
Купол спорткомплекса	Ø 72	16 Al + 20 Ст	Москва	—

Разработан проект раздвижной части крыши БСА в Лужниках из двух или четырех алюминиевых створок общим весом, соответственно, 860 и 800 т. Построенная стационарная часть рассчитана на заданные нами нагрузки от алюминия.

На тендерной основе выполнен и утвержден Мосгосэкспертизой проект алюминиевого покрытия аквапарка в форме двухволновой оболочки, состоящей из радиально размещенных блоков трапециевидного очертания в плане пролетом от 40 до 64 м. Комплексное решение покрытия и опорного каркаса позволило оптимизировать конструкцию за счет рациональной расчетной схемы и обоснованного сочетания стальных и алюминиевых элементов. Вариант в стальном исполнении оказался в 1,5 раза дороже.

На тендерной основе разработан проект покрытия аквапарка в Ясенево, имеющего в плане очертание сектора окружности диаметром 69 м. Покрытие состоит из радиально размещенных блоков, оно тоже экономичнее стального и утверждено Мосгосэкспертизой.

Одобрены заказчиком проектные предложения по алюминиевому арочному покрытию пролетом 75 м для крытого футбольного манежа.

Выполнены и представлены заказчику проекты алюминиевых навесов пролетом от 24 до 86 м для реконструкции вокзала. Монтаж навесов выполняется при минимальном ограничении сквозного движения поездов.

Разработан проект алюминиевого полукупола диаметром 48 м для Ледового дома Ирины Родниной.

В настоящее время по результатам технико-экономического сопоставления принят к реализации и разрабатывается рабочий проект трехпролетного алюминиевого покрытия картинг-центра размером в плане 90х90 м (генпроектировщик — Моспроект-4).

В последние годы конструкции пространственных блоков непрерывно совершенствовались. Разработаны конструкции с несущей алюминиевой аркой, подкрепленной криволинейной стальной затяжкой, и технико-экономические показатели здесь существенно улучшены. В качестве примера можно привести проекты покрытия ангаров пролетом 2х48, 84 и 96 м во Внуково и покрытия павильонов пролетом 72 и 108 м на ВВЦ.

Также перспективны специальные конструкции из алюминия (табл. 3).

Объекты	Пролет (м)	Расход алюминия
Пешеходные мосты в Геленджике	41 и 54	6 и 7 т
Пешеходный мост через МКАД	54	4–6 т
Пешеходный мост для велотрека	25	1,4 т
Ангарные теплицы	36	6 кг/кв. м
Фермы из сборных модулей	до 24	2 кг/кв. м

Мосты в Геленджике рассчитаны на 8-балльное землетрясение, ураганный ветер и гололедные нагрузки морского побережья. Мосты для МКАД выполнены без средней опоры и монтируются практически без остановки движения на трассе. Пешеходный мост с трехмаршевым лестничным сходом в здании велотрека в Крылатском собран вручную за 1,5 дня. Ангарная теплица успешно эксплуатируется в Московской области около 30 лет. Фермы в сочетании с тентом используются МЧС в качестве временной кровли при авариях на ТЭЦ и монтируются вручную. Приведенный собственный вес ферм меньше веса закрепленного на них тента.

Прочность и эксплуатационная надежность

Накопленный нами опыт свидетельствует о том, что прямая замена стали и других строительных материалов на алюминий оказывается, как правило, неэффективной. Положительные результаты использования алюминия в вышеперечисленных объектах были достигнуты за счет создания принципиально новых конструктивных решений, что подтверждено патентами СССР (более 50), РФ (12), США (3), Великобритании (2), Франции (2), Италии, Германии и Австрии (по 1).

Основными отличиями предложенных блоков покрытия являются предварительное напряжение тонколистовых обшивок и обеспечение совместной работы тонколистовых полотен и стержневых элементов пространственного каркаса на сжатие, растяжение и изгиб. Разработка и реализация новых конструкций велись в системе предприятий авиационной промышленности с учетом сложившихся здесь требований в вопросах прочности и эксплуатационной надежности.

Назовем основные условия обеспечения прочности.

1. Постепенное, последовательное увеличение пролета и ширины блока позволяет выявить наличие и величину возможных критических параметров. Разработаны и теоретически исследованы различные конструктивные формы пролетом 12, 24, 30, 36,42, 48, 54, 60, 72, 84, 109, 160 и 200 м при ширине обшивки от 2 (из одного рулона) до 24 м (полотно из 12 рулонов, объединенных продольными сварными швами).
2. Изготовление и прочностные испытания опытного образца конструкции, намеченной к внедрению на реальном объекте. Исследуется действительное напряженное и деформированное состояние в процессе предварительного напряжения обшивок и при многократном статическом нагружении расчетной нагрузкой по всему пролету и на различных участках блока. На основе сопоставления расчетных и фактических величин напряжений в элементах конструкции и ее прогибов уточняется расчетная схема и предпосылки расчета. Определяются и сверяются с расчетными значениями динамические характеристики. На заключительном этапе конструкция доводится до разрушения, что позволяет вы-явить резервы прочности. Проведены испытания опытных образцов блоков пролетом 12, 30, 50, 54, 60, 84 и 109 м.
3. Экспериментально-теоретические исследования параметров жесткости торцевых ферм в плоскости и из плоскости верхней (напрягаемой) и нижней обшивки.
4. Прочностные испытания головного образца серийной конструкции расчетной нагрузкой с длительной выдержкой (не менее суток). Проверяется достаточная несущая способность, сопоставляются фактические и расчетные значения прогибов при нормативной нагрузке, фиксируются остаточные прогибы после разгрузки и время возврата конструкции в исходное состояние. Испытаны головные образцы блоков пролетом 30, 36, 48, 60, 84 м.
5. Освоение специальных типов плотнопрочного соединения рулонов верхней обшивки между собой и с элементами каркаса. Разработана технология аргонодуговой сварки листов толщиной 1 мм, клепка в сочетании с многокомпонентными и однокомпонентными герметиками. Особенно удачной оказалась получившая широкое применение односторонняя точечная сварка-клепка — качественно новый вид со-единения, обеспечивающий высокую прочность и абсолютную герметичность.
6. Исследование процессов ползучести и релаксации прессованных профилей и листов из сплавов, применяемых в рассматриваемых конструкциях позволяет установить предельные величины усилий предварительного напряжения.

Рассмотрим основные условия обеспечения эксплуатационной надежности

Блок покрытия совмещает несущие и ограждающие функции покрытия. Поэтому перечень вопросов обеспечения эксплуатационной надежности здесь существенно шире, чем для обычной несущей конструкции. Предметом обзора будут наиболее важные из них.

1. Теплотехнические качества. Конструкции блоков позволяют использовать в качестве утеплителя легкие, эффективные и относительно недорогие минераловатные полужесткие плиты или маты. Исследования опытных фрагментов в термокамере НИИМосстроя подтвердили высокие теплотехнические свойства конструкций. При этом фактические характеристики оказались существенно выше расчетных, что объясняется наличием большой воздушной прослойки. Аналогичные результаты получены при исследовании эксплуатируемых покрытий тепловизорами.
2. Водонепроницаемость. Опыт эксплуатации блочных покрытий (начиная с 1971 г.)показал, что разработанные типы соединений обшивок с каркасом блока и между блоками обеспечивают полную водонепроницаемость. При соблюдении предусмотренного проектом температурновлажностного режима эксплуатации случаи протечек кровли не зафиксированы.
3. Огнестойкость. При участии ВНИИПО разработан ряд способов обеспечения требуемой огнестойкости блоков, что подтверждено результатами соответствующих огневых испытаний. Появление вспучивающихся красок существенно упростило решение этой проблемы.
4. Антикоррозионная стойкость. Используемые в конструкциях блоков алюминиевые сплавы отличаются высокой антикоррозионной стойкостью, что связано с отсутствием в них меди. Проведены многолетние наблюдения за конструкциями, эксплуатируемыми в городской атмосфере, на побережье Балтики и Черного моря, отличающихся повышенной агрессивностью. Установлено, что скорость коррозии в первые 1–2 года асимптотически приближается к нулю, и в дальнейшем коррозионные процессы практически прекращаются. По заключению ВИЛСа, ожидаемый срок безаварийной эксплуатации блоков превышает 100 лет.
5. Снеговые отложения и система водоотвода. Снеговая нагрузка является определяющей для легких алюминиевых покрытий.Поэтому на ряде объектов уже более 25 лет ведутся наблюдения за величиной и характером распределения снеговой нагрузки. На кровле УДС «Крылья Советов» эти измерения проводились практически непрерывно. Основные результаты наблюдений таковы: толщина снегового покрова изменяется линейно от нуля в коньке до максимума у парапетов, ее максимальное значение составило 25 см, что соответствует 55 кг/кв. м. На всех объектах использована и положительно зарекомендовала себя система внутреннего водоотвода.
6. Строительство УДС «Крылья Советов» было включено в план важнейших работ Госстроя СССР, которым предусматривалось проведение обследования алюминиевых блоков покрытия после 20 лет эксплуатации. Фактически блоки обследованы через 25 лет после монтажа покрытия. За истекший период не зафиксировано ни одного случая протечек и никаких ремонтных работ не проводилось. Состояние тонколистовых обшивок из сплава марки АМг2П и прессованных профилей из сплава марки 1915Т, эксплуатируемых без антикоррозионной защиты, подтверждает их достаточную надежность и оценено как хорошее. Отсутствуют остаточные прогибы, заданный уровень преднапряжения верхней обшивки сохранился. Прогибы блока при изменении температуры соответствуют расчетным. Коррозионное ослабление сечения профилей и обшивок не превышает 1–2%, что не сказывается на прочности и надежности конструкций.

В заключение раздела отметим, что нам неизвестна какая-либо иная конструктивная система в строительстве, прошедшая столь тщательную и детальную проверку.

Технологические особенности

Основным отличием заводского изготовления плоских отправочных марок из алюминия ранее считалась аргонодуговая сварка. В настоящее время сварка в среде защитных газов широко применяется на заводах стальных конструкций, что позволяет легко перестроиться на производство конструкций из алюминия. При этом все остальные заводские операции (резка, фрезерование и т. п.) с алюминиевыми профилями оказываются проще.

Укрупнительная сборка алюминиевых конструкций на монтаже также упрощается в связи с резким снижением веса отправочных марок. Основное отличие здесь состоит в операции предварительного напряжения рулонных обшивок с контролем усилия и последующим креплением рулона к поясам ферм. Разработано и освоено несколько способов преднапряжения рулонов, а для их крепления используется созданный с участием ИЭС им. Патона простой и надежный способ холодной точечной сварки-клепки. Таким образом, укрупнительная сборка алюминиевых блоков может быть освоена практически любой организацией, специализированной на монтаже металлоконструкций. При этом, как уже указывалось, подъем алюминиевых конструкций в проектное положение не вызывает трудностей.

Экономика

Соотношение цен в 70–80 гг. на стальной и алюминиевый прокат для строительных конструкций равнялось 1:10. В этих условиях применение алюминиевых блоков покрытия было экономически оправдано по единовременным затратам при пролетах свыше 36 м за счет включения обшивок в силовую работу каркаса и использования на стройплощадке рулонов, поставляемых непосредственно с металлургического завода. При учете сокращения сроков строительства, экономии материалов в поддерживающем каркасе и фундаментах, а также исключения эксплуатационных затрат порог экономической эффективности алюминиевых блоков снижался до 24–30 м.
Экономические преимущества блоков существенно растут с увеличением пролета. Они особенно эффективны в районах повышенной сейсмичности, труднодоступных и с низкими отрицательными температурами, а также при реконструкции и в трансформируемых сооружениях, и т. п.

В современных условиях рыночной экономики эффективность алюминиевых конструкций существенно возросла, так как существовавшее ранее и, по-видимому, искусственно завышенное соотношение стоимости стального и алюминиевого проката 1:10 приобрело реальное значение 1:7. Влияние последнего обстоятельства на границы и условия рационального применения алюминия в строительстве требует осмысления и оценки.

Автор: Г. Г. Михайлов
Источник: "СтройПРОФИль"