Под крыльями лебедя. Инженерные секреты главной арки Лахта Центра
В конце лета в Лахта Центре приняли новый вызов. Речь — о монтаже Арки главного входа. Строителям очень надо успеть собрать основные металлоконструкции до нуля градусов.
Зима близко. Важно успеть до нее
Сама арка главного входа интересна не только этим фактом. Не хочется употреблять уже затертое в отношении Лахта Центра описание — «уникальная конструкция», но выхода нет. Вход в комплекс — уникальная конструкция. Во-первых, потому что безопорный пролет арки — 125 метров. При этом общепринятая точка отсчета уникальности большепролетных и безопорных — «всего» 60 метров.
Во-вторых — функционал арки: это вход в башню, но выполненный в виде отдельного здания.
Почему так сделали? Как это большепролетное великолепие будет держаться? Зачем успевать до холодов? Все ответы — под катом.
Визуализация Арки главного входа в Лахта Центр
Арка природная vs рукотворная
Арка, пожалуй, один из самых монументальных архитектурных элементов и, конечно, скупое определение «криволинейное перекрытие проема между двумя опорами» не передает его сути.
Современная архитектура — сложнейшая сфера, в которой гармонично сочетаются наука и искусство. Самые грандиозные архитектурные решения — сродни запуску ракеты в космос: точнейшие математические расчеты плюс тончайшее понимание законов физики и умение использовать их в своих интересах. Но при этом, объективно, большая часть из этих решений — попытка повторить, а в конечном счете превзойти творения самого великого архитектора — природы. Это в полной мере относится и к арочным конструкциям. Достаточно посмотреть на самую большую природную арку в мире — мост Фей Сянрен на северо-западе Китая со 120-метровым пролетом.
Фей Сянрен, Китай
Или на старейшую в мире Пейзажную арку в Arches National Park в Юте. Пролет тоже немаленький — 63 м, а в самой тонкой части ширина свода не превышает 2 м.
Пейзажная арка, США
Конечно, арка «Ворота Запада» в Сент-Луисе (штат Миссури, США) — сооружение более масштабное (192 м в верхней точке и 192 м ширины у основания — это мировой рекорд) и геометрически выверенное. Но принципиальных отличий от природных арок нет.
«Ворота Запада», США, 1965 г.
Самая известная в мире, конечно, «Триумфальная арка» на площади Шарля де Голля в Париже, возведенная архитектором Жаном Шальгреном в 1806—1836 годах в ознаменование побед наполеоновской армии. Пожалуй, именно этот образ возникает в мыслях большинства людей мира при слове «арка».
Триумфальная арка, Париж, 1836 г.
Хотя москвичи, наверное, представят при слове «арка» Триумфальные ворота на Кутузовском,
Триумфальные ворота, Москва. Копия, 1968 г. Оригинал был возведен на площади Тверской заставы в 1829–1834 гг., демонтирован в 1936 г.
а петербуржцы — Нарвские ворота.
Нарвские триумфальные ворота, Санкт-Петербург, 1834 г.
Все эти сооружения внушительны, прекрасны, но выполняют, в первую очередь декоративную функцию. Даже несмотря на смотровую площадку, разместившуюся на вершине «Ворот Запада» или маленькие музеи во внутренних помещениях парижской Триумфальной арки или питерских Нарвских ворот, функциональными эти объекты назвать сложно.
Арка декоративная vs функциональная
Однако арочные сооружения могут выполнять и вполне конкретные и важные задачи. Например, как «Укрытие-2», закрывшее старый разрушающийся саркофаг, возведенный над четвертым энергоблоком Чернобыльской АЭС.
«Укрытие-2». Планируется к сдаче в эксплуатацию в ноябре 2017 г
Это грандиозное сооружение шириной 257 м и высотой 110 м, весящее 36,2 тыс. тонн, к тому же подвижное.
Новый саркофаг Чернобыльской АЭС. Проектирование — 2016.
Вернее, было таковым. После завершения монтажных работ «Укрытие-2» «накатили» на здание ЧАЭС с аварийным реактором.
На момент постройки «Укрытие-2» было крупнейшим передвижным наземным сооружением. На фото — часть команды строителей — французских компаний Bouygues и Vinci. Источник
Еще один — уже не мрачный, а позитивный пример функционального использования арочных конструкций — сиднейский оперный театр. Кровля в виде скорлупок-парусов (а на самом деле кожуры апельсина), придуманная и воплощенная в бетоне датчанином Йорном Утзоном — известна всему миру. Скорлупки созданы из сборных бетонных панелей в форме треугольника, которые опираются на 32 сборные бетонные же нервюры.
Конструкцию весом более 27 тонн удерживают стальные тросы общей длиной 350 км.
Арки сиднейской оперы. И крыша хорошая, и туристам нравится
У Лахта Центра тоже запланирована своя — Арка главного входа. Будет как в сиднейской опере — большой, красивой и при этом функциональной.
О функционале и внутреннем пространстве здания арки проектировщики рассказывают так:
»… В ее объеме центральное место занимает белоснежная рампа, одним витком поднимающая на консольный уровень, где расположено кафе и выход на площадь перед зданием Башня. Нижний уровень Арки занимает просторное фойе со стойкой ресепшн контрольно-пропускным пунктом в основное фойе здания Башня…»
Внутри арки главного входа — визуализация.
По сути, арка — это большой отдельно стоящий холл, через который открывается основной доступ в небоскреб и другие зоны комплекса. Отдельного здания-входа в виде арки еще никто не делал.
В проектной документации внешний вид сооружения описывается так:
»… Арка главного входа имеет сложную несимметричную геометрическую поверхность двоякой положительной кривизны в виде боковой поверхности усеченного конуса. Проекция кровли на горизонтальной плоскости имеет форму криволинейно серповидной трапеции…».
Правда в разговоре сами архитекторы предпочитают использовать более поэтичное описание:
»… Арка напоминает склонившегося лебедя, развернувшего крылья, и, как бы, приглашающего гостей в Лахта Центр».
Оценим сходство:
Арка снаружи
С другого ракурса: 
Похоже?
Но интересна арка не столько орнитологическими аллюзиями, сколько решением непростой инженерной головоломки.
Технические параметры
Что представляет собой арка в плане конструктива.
Как видно на визуализациях, сооружение разновысотное. Максимальная высота здания арки с восточной стороны — 17,81 м, с западной — 23,8 м от нулевой отметки. По проекции пролет превышает 125 м, но более распространенный принцип расчета — по точкам схода осей — это 98 м.
Главное в том, что промежуточной поддержки нет. Это неожиданно даже по современным архитектурным меркам.
Парящий мост в Зарядье. Прямое сравнение, конечно, не корректно — просто в качестве иллюстрации современной безопорной большепролетной конструкции. Тут безопорный вылет консоли составляет 70 метров и это много — столичная мэрия хочет зарегистрировать рекорд у Гиннеса. P.S. Кто-то был на открытии моста? Поделитесь впечатлениями?
Но вернемся в Лахту. Такая большая безопорная часть обеспечивает зданию необходимую легкость, но при этом и создает основные сложности при воплощении.
Арочный конструктив
Основные несущие конструкции — четыре арки с разной стрелой подъема, различные по форме и конфигурации. Две из них — треугольные прямолинейные пространственные фермы, еще одна — сборная конструкция из плоскостной прямолинейной фермы, к которой подсоединены два плоскостных элемента меньшего размера. Самый сложный элемент — пространственная ферма, также представляющая в сечении треугольник, но, к тому же размещающаяся под наклоном и изогнутая.
Конструктив сложен сочетанием пространственных и плоских арочных ферм
Изготовление и сборка
Все арочные фермы собираются из стальных холодногнутых труб, которым производитель — компания CIMOLAI, придает необходимую форму на своем заводе в Италии, после чего отправляет их в Челябинск, где еще одно предприятие CIMOLAI собирает из них отправочные секции. Каждая арка состоит из девяти таких секций, которые на низкорамных тралах доставляются с Урала на Неву.
На заводе
Транспортировка отправочной секции на трале
На площадку прибыл!
Масштаб
Отправочная секция — лишь один из девяти сегментов лишь одной арочной дуги
Из отправочных секций на строительной площадке формируются монтажные элементы — по три на каждую арку (два опорных и забойный). Эти элементы поочередно поднимаются на монтажный уровень. Сначала устанавливаются два опорных, потом к ним стыкуется забойный, поддерживаемый специальными опорами-домкратами. В принципе, технология та же, что применяется при строительстве мостов.
Монтажные элементы в деле:
Когда отправочные секции складывают в монтажные элементы, точность соединения сегментов — ювелирная. Допустимая величина зазоров не должна превышать 0,1 мм. Чтобы ее достигнуть арки, на самом деле собираются не один, а два раза. Сначала на заводе в Челябинске проводится контрольная сборка, чтобы убедиться, что все крепления попали в нужные точки. Только после этого вновь разобранная на отправочные секции ферма отправляется на стройплощадку.
Предварительная сборка — особенное внимание к соединительным узлам
Между собой элементы соединяют болтовыми фрикционными соединениями. Такой метод технологичнее сварки — необходимо лишь хорошо очистить соединяемые поверхности и затянуть болты с точно рассчитанным усилием с помощью тарированного динамометрического ключа. В результате получается абсолютно жесткий узел — после затяжки болты не испытывают переменного напряжения, изгибающих и разрушающих действий — усилие плавно перетекает на крепежные пластины за счет силы трения.
Элементы фрикционного соединения связи
Борьба с деструктивными силами
На арку будут действовать разные силы, которые могут разрушить конструкцию.
Для того, чтобы справится с распорными силами, действующими на распределительные балки, проектировщики применили очень интересный метод. У арки нет классического для комплекса фундамента со сваями в грунте. Балки интегрированы в перекрытие подземного этажа-парковки.
Армирование железобетонной плиты-перекрытия. Сразу устраиваются каналообразователи, о которых сейчас пойдет речь.
Вертикальную составляющую силы воздействия на опоры успешно воспринимают трехметровые балки.
С горизонтальной составляющей, «раздвигающей» опорные части арки в таком случае справиться сложнее. Выход нашелся в технологии строительства вантовых мостов.
В плиту перекрытия заложены 14 гильз–каналообразователей, в каждом из которых размещены по 10 высокопрочных стальных канатов диаметром 12,5 мм.
Каналообразователи крупным планом. В них заложат стальные канаты
С помощью специальных устройств эти канаты натягиваются, компенсируя раздвигающую силу.
Если очень упрощенно — то это как натягивание лука, где в роли разъезжающихся опорных частей арки — его плечи, а в роли канатов — тетива
До установки металлических конструкций натяжение канатов составляет всего 50% от рабочего — иначе разрушающей для перекрытия станет уже сила воздействия самих тросов-компенсаторов. После монтажа собственный вес арки компенсирует натяжение канатов, после чего усилие измеряется и доводится до проектного, рассчитанного на компенсации не только статического воздействия арки, но и дополнительных усилий, появляющихся из-за внешних воздействий, таких как дождь, снег.
После этого в каналообразователи закачивается специальный раствор, трансформирующий пучки канатов в монолитный трос. Для контроля усилия в процессе эксплуатации здания и в узлы натяжения, и в каналообразователи устанавливаются тензодатчики, информация с которых передается в общую систему технологического мониторинга Лахта центра.
Точка опоры для безопорного пролета
Все арки с каждой стороны приходят на одну нитку опоры, при этом на опорных узлах (больших плитах, закрепленных на перекрытии) опорные элементы арок закреплены не жестко, а неподвижно-шарнирным способом, лучшей аналогией с которым, пожалуй, будет человеческий сустав. По сути, арка лишь опирается об опорные узлы, держится в них только за счет собственного веса. Дело в том, что арка сама по себе достаточно подвижна, ее элементы «играют», двигаются за счет внешнего воздействия — ветра, перепада температур. Если она будет намертво закреплена на основании, в конце концов опорные элементы просто выломает.
Опорные плиты узлов:
По этой же принципиальной причине до самого окончания монтажа арки не заливается полутораметровый деформационный шов между плитой стилобата и основанием арки — чтобы деформации, которые возникают при натяжении тросов не передались на остальную конструкцию.
Для того, чтобы защитить от перемещения арки элементы фасада, обеспечив при этом их герметичность, сконструированы специальные узлы. А перемещения эти достаточно серьезные. Например, прогиб составляет порядка 100–150 мм, что требует компенсации разрушающего воздействия, учитывая, что фасад будет полностью стеклянным. Полностью — это не преувеличение. Из стекла будут изготовлены даже 27-метровые вертикальные стойки, на которые закрепят элементы фасада.
Стеклянные стойки, на которые закрепят фасадные элементы арки. Визуализация
Общий вид стеклянного фасада арки — пока что тоже на визуализации
Все эти технологические сложности — снова цитирую проектную документацию: «обусловлены архитектурной идеологией объекта». То есть, просто, чтобы было красиво. Наверняка, получится. Вот только работать строителям придется очень быстро. По регламенту сборка конструкции арки может вестись в температурном диапазоне от 0 ºС до 20ºС. Иначе для компенсации температурных деформаций придется проводить масштабные вычисления только для того чтобы не перетянуть или недотянуть болты.
—
В конструкциях Арки главного входа помогал разбираться инженер строительного контроля Игорь Романенко
