Влияние предварительного давления на структурную целостность стадионов и арен

Наука, стоящая за давлением стали в современном строительстве стадиона

Престрессовая сталь представляет собой одну из самых значительных инженерных инноваций в строительстве крупномасштабных объектов. В своей основе эта технология использует высокопрочные стальные сухожилия, которые напрягаются, чтобы применить силу сжатия к бетону, эффективно нейтрализуя растягивающие напряжения, которые в противном случае вызвали бы растрескивание и структурный отказ. Такой подход позволяет инженерам проектировать стадионы и арены с значительно более длинными пролетами, более тонкими структурными элементами и большей устойчивостью, чем когда-либо мог бы достичь традиционный железобетон.

Принцип прост: бетон превосходит при сжатии, но плохо работает при натяжении.Вводя предсжатие через натяжные стальные сухожилия, бетон помещается в состояние непрерывного сжатия, которое противодействует растягивающим силам, создаваемым мертвыми нагрузками, живыми нагрузками и динамическими событиями, такими как движение толпы или ветер.В результате получается структура, которая не только поддерживает большие нагрузки, но и сохраняет свою целостность в течение десятилетий интенсивного использования.

Понимание преднапряженных систем против постнапряженных систем

В строительстве стадионов доминируют два основных метода применения престрессовой стали: преднатяжение и постнатяжение. Каждый из них предлагает различные преимущества в зависимости от конкретных требований проекта.

Преднатяжение включает натяжение стальных сухожилий перед отливкой бетона. Сухожилия крепятся к внешним прикладам, бетон обливается вокруг них, и как только бетон достигает достаточной прочности, сухожилия высвобождаются. Это передает сжимающую силу в бетон через напряжение связи. Преднатяжение обычно используется в сборных бетонных элементах, таких как балки, отбеливающие секции и сидения, где контролируемые заводом условия позволяют точно натяжить и обеспечить стабильное качество.

Постнатяжение, напротив, включает натяжение сухожилий после того, как бетон отвердел. Тенденции помещаются в протоки или обшивку перед отливкой, и как только бетон достигает требуемой прочности, гидравлические разъемы натягивают сухожилия против затвердевшего бетона. Тенденции затем крепятся, а протоки затираются для защиты от коррозии. Постнатяжение является доминирующим подходом для отлитых на месте компонентов стадиона, включая конструкции крыши с длинным пролетом, плиты зала и системы фундамента.

Инженеры часто объединяют оба метода в одном месте, используя предварительно натянутые сборные элементы для повторяющихся компонентов, таких как сиденья и элементы с откидным расположением после натяжения для уникальных функций с большим размахом, таких как фермы на крыше и консольные навесы.

Структурные преимущества предварительного напряжения стали в стадионной среде

Стадионы и арены представляют собой уникальный набор структурных проблем, которые делают предварительный натяжной сталь особенно ценной. Эти места должны вмещать десятки тысяч зрителей, поддерживать массивные видеопанели и звуковые системы, противостоять ветровым и сейсмическим силам и обеспечивать беспрепятственные линии обзора - все это при сохранении экономично для строительства и обслуживания.

Исключительные возможности Span

Наиболее заметным преимуществом стали предварительного натяжения является ее способность создавать огромные, свободные от колонн внутренние пространства. Типичная бетонная конструкция крыши с натяжением может охватывать расстояния, превышающие 300 футов, далеко за пределами практических пределов обычного железобетона. Эта способность устраняет необходимость в внутренних опорных колоннах, которые будут препятствовать видам и ограничивать конфигурации сидений. Стадион Mercedes-Benz в Атланте, например, использует бетонный кольцевой балку с натяжением и систему крыши с кабелем для достижения своей культовой восьмипанельной убирающейся крыши, которая охватывает более 600 футов в диаметре.

Эти длинные пролеты достигаются потому, что предварительный натяжной сталь позволяет инженерам использовать более мелкие структурные глубины при сохранении или превышении прочности гораздо более глубоких обычных секций.Эта экономия высоты напрямую приводит к снижению материальных затрат, снижению мертвых нагрузок и большей архитектурной свободе.

Превосходный Crack Control и долговечность

Трещина является главным врагом бетонных конструкций, особенно в условиях, подверженных воздействию погоды, солей и циклической нагрузки на тысячи зрителей. Стрессовая сталь активно подавляет растрескивание, поддерживая бетон в состоянии сжатия. Даже при значительных эксплуатационных нагрузках растягивающее напряжение на бетонной поверхности остается ниже его растрескивающей силы. Эта безтрескательная производительность продлевает срок службы компонентов стадиона, предотвращая попадание воды и хлорида, которые в противном случае разъединяли бы обычную арматуру.

Преимущество в долговечности особенно важно для открытых стадионов в северном климате. Подчеркнутые бетонные сидения, пандусы и залы в таких местах, как Ламбо Филд в Грин-Бей и Солдат Филд в Чикаго продемонстрировали исключительную устойчивость к повреждениям от замерзания и коррозии по сравнению с традиционно усиленными альтернативами. Владельцы получают выгоду от более низких затрат на техническое обслуживание и уменьшенной потребности в капитальном структурном ремонте в течение срока службы места.

Динамическое сопротивление нагрузки

Стадионы испытывают динамическую нагрузку от синхронизированных движений толпы, ветра, сейсмических событий и механических вибраций от систем HVAC и аудиооборудования.Подстрессовые конструкции демонстрируют превосходную производительность в этих условиях из-за их более высокого соотношения жесткости к весу по сравнению с обычным железобетоном.Силы предварительного натяжения эффективно увеличивают естественную частоту структурных элементов, снижая риск резонансной вибрации, которая может вызвать дискомфорт или, в крайних случаях, структурный дистресс.

Инженерные исследования показали, что бетонные сидения с натяжением могут снизить вертикальное ускорение во время массовых мероприятий на 40 процентов по сравнению с обычными железобетонными палубами аналогичного пролета. Это улучшение производительности напрямую приводит к повышению комфорта зрителя и снижению ответственности операторов площадки.

Материальная эффективность и экономические выгоды

Престрессовая сталь позволяет значительно сократить количество материала при сохранении или улучшении конструктивных характеристик. Типичный бетонный балка после натяжения требует примерно 60-70% бетона и 30-40% армирующей стали по сравнению с традиционно усиленным балкой равного пролета и вместимости. Эти экономичные соединения через тысячи линейных футов балок, плит и колонн в крупном проекте стадиона.

Сокращение требований фонда

Более низкий самовес предварительно напряжённых конструктивных элементов снижает нагрузки, передаваемые на фундаменты, что особенно выгодно на участках с плохими почвенными условиями или высоким уровнем грунтовых вод. Более лёгкие сооружения требуют меньших оснований, меньше свай и менее глубоких раскопок, что обеспечивает существенную экономию затрат на подготовку площадки и строительство фундамента. Для стадионов, построенных на городских засыпочных площадках или коричневых полях, эти сбережения могут представлять собой миллионы долларов в избегаемых затратах на фундамент.

Ускоренные графики строительства

Стрессовое бетонное строительство часто протекает быстрее, чем обычные методы. Кассовые предварительно натянутые элементы могут изготавливаться за пределами площадки, в то время как работы по фундаменту продолжаются, а затем быстро доставляются и возводятся. Постнапряженное литье на месте строительства, требуя тщательного секвенирования операций натяжения, устраняет необходимость в обширном опорном и фальстарном строительстве, которое в противном случае потребляло бы недели или месяцы времени строительства. Возможность натяжения сухожилий рано, иногда в течение трех-пяти дней литья, позволяет подрядчикам удалять опалубку и быстрее совершать последующие сделки.

Владельцы мест получают выгоду от более раннего получения доходов и снижения затрат на финансирование. Для проектов, где день открытия фиксируется графиками лиг или крупными событиями, каждая неделя, сэкономленная на строительстве, имеет прямую экономическую ценность.

Тематические исследования: Престрессинг стали в местах мирового класса

Пекинский национальный стадион (Птичье гнездо)

Пекинский национальный стадион, завершенный к Олимпийским играм 2008 года, представляет собой одно из самых амбициозных применений предварительно напряженного бетона в истории стадиона. Кажущийся хаотичным стальной внешний вид противоречит высокоинженерной структурной системе, которая опирается на бетонные элементы постнатяжения для стабильности. Структура чаши стадиона использует бетонные балки и плиты постнатяжного натяжения для поддержки 91 000 зрителей на нескольких ярусах, в то время как система крыши включает предварительно напряженные стальные кабели, которые работают в сочетании с бетонными компрессионными кольцами для достижения отличительной формы структуры.

Проект требовал более 42 000 тонн стали, большая часть которой была высокопрочным и требовала точного натяжения, скоординированного по нескольким направлениям строительства. Результатом стала структура, которая выдержала экстремальные климатические условия Пекина и продолжает служить ориентиром для международных мероприятий.

Mercedes-Benz Stadium, Атланта

Стадион Mercedes-Benz, где находится Атланта Фальконс НФЛ, имеет первую в мире выдвижную систему крыши на основе бетонного сжатого кольца с напряжением. Крыша охватывает 600 футов и состоит из восьми независимых лепестковых панелей, которые открываются и закрываются, как диафрагма камеры. Сжатие кольца, построенное из высокопроизводительного бетона с напряжением, поддерживает весь механизм крыши и передает силы на фундамент стадиона.

Инженеры выбрали постнатяжение для кольца сжатия из-за его способности обрабатывать сложные, переменные схемы нагрузки, созданные движущимися панелями крыши. Обычная армация потребовала бы гораздо больших секций и более глубоких оснований, что сделало бы проект экономически невыполнимым. Решение после натяжения экономило примерно 20 процентов в объеме бетона и сократило время строительства примерно на три месяца.

SoFi Stadium, Инглвуд, Калифорния

Стадион SoFi, дом Лос-Анджелесских Рамс и Чарджеров НФЛ, включает в себя усиленное натяжение стали в своих сидячих чашах и контурах.Отпечаток стадиона площадью 3,1 миллиона квадратных футов включает в себя бетонные плиты натяжного размера, охватывающие до 80 футов между опорными колоннами на уровнях контура, устраняя необходимость в промежуточных колоннах, которые будут препятствовать циркуляции и концессионным видам.

Массивная полупрозрачная крыша стадиона, поддерживаемая системой кабельной сети, прикрепленной к кольцу по периметру с натяжением бетона, занимает 3 миллиона квадратных футов и является крупнейшей в мире однопролетной структурой крыши.Постнатяжной кольцевой балкой, отлитой в 24 сегментах с более чем 1200 милями предварительно напряжённой нити, обеспечивает сопротивление сжатию, необходимое для стабилизации кабельной сети под ветром и мертвыми нагрузками.

Эстадио Насьональ де Бразилиа

Estádio Nacional de Brasília, место проведения Чемпионата мира по футболу 2014 года в Бразилии, имеет бетонную конструкцию с натяжением, которая охватывает 290 метров и охватывает 72 000 мест. Крыша включает в себя уникальную систему с кабелем, поддерживаемую бетонными мачтами с натяжением, которые поднимаются на 90 метров над игровым полем. Инженеры использовали высокопрочную подвесную сталь с прочностью на растяжение 1860 МПа - почти в четыре раза больше, чем у обычных армирующих стержней - для достижения требуемых пролетов, сохраняя размеры членов в эстетических пределах.

Проект столкнулся со значительными проблемами, связанными с тропическим климатом Бразилии и необходимостью защиты от коррозии. Сухожилия были установлены в полностью затираемых протоках с дополнительными антикоррозионными примесями, а зоны крепления были запечатаны эпоксидными покрытиями для предотвращения попадания влаги. Регулярный мониторинг с использованием встроенных датчиков позволяет операторам отслеживать силы сухожилий и обнаруживать любую потерю престресса с течением времени.

Инженерные проблемы и требования к контролю качества

Успешное применение престрессовой стали требует строгого контроля качества во всем дизайне, изготовлении и строительстве. В отличие от обычного арматуры, которая обеспечивает запас прочности за счет выходного отверстия, престрессовые сухожилия работают при очень высоких напряжениях - обычно от 70 до 80 процентов их конечной прочности на растяжение. Любой дефект в сухожилии, креплении или бетоне может иметь немедленные и серьезные последствия.

Точность натяжения и мониторинга

Операции натяжения должны достигать точной силы и удлинения, указанных в конструкции. Гидравлические домкраты, оснащенные манометрами и нагрузочными ячейками, измеряют приложенную силу, в то время как экстенсомеры отслеживают удлинение сухожилий. Связь между силой и удлинением обеспечивает проверку качества: если удлинение отклоняется от прогнозируемого значения более чем на 5 процентов, операция должна быть остановлена и исследована причина.

Для конструкций стадиона с сотнями или тысячами сухожилий усилия по контролю качества существенны. Проект стадиона Mercedes-Benz, например, требовал документацию более 3500 отдельных операций натяжения, каждая с проверенными рекордами силы и удлинения. Эта документация становится частью постоянной записи для конструкции и информирует о будущих программах инспекции и обслуживания.

Защита от коррозии и долгосрочный мониторинг

Коррозия подстрессовой стали является критической проблемой, особенно на открытых стадионах, подверженных воздействию влаги, хлоридов и загрязнителей атмосферы. Высокопрочная сталь подвержена хрупкости водорода, форме растрескивания коррозии под напряжением, которая может вызвать внезапный, хрупкий отказ с минимальным предупреждением. Для смягчения этого риска современные подстрессовые конструкции стадиона используют несколько слоев защиты: оцинкованные или покрытые эпоксидным покрытием сухожилия, пластиковые протоки или обшивка, полностью зашитые протоки, которые поддерживают щелочную среду вокруг стали, и дополнительная катодная защита в тяжелых условиях.

Долгосрочные программы мониторинга для предварительно напряженных стадионов обычно включают периодические визуальные проверки открытых зон крепления, неразрушающие испытания для обнаружения пустот в затираемых протоках и, где это оправдано, навязчивые исследования, которые включают врезку в протоки для проверки состояния сухожилий. Некоторые места, включая Пекинский национальный стадион и стадион SoFi, установили постоянные сенсорные системы, которые непрерывно контролируют силы сухожилий, бетонные деформации и условия окружающей среды. Эти системы обеспечивают раннее предупреждение о потенциальных проблемах и позволяют операторам планировать обслуживание до того, как проблемы станут критическими.

Замена тендона и структурная адаптация

Хотя это и редко, были случаи, когда предварительное напряжение сухожилий в конструкциях стадиона требовало замены из-за коррозионного повреждения или дефектов конструкции. Процесс замены является сложным и рискованным, требующим тщательного секвенирования, чтобы избежать перегрузки соседних сухожилий или создания несбалансированных сил в структуре. По этой причине современные конструкции стадиона все чаще включают положения для будущей замены сухожилий, включая негабаритные воздуховоды, доступные зоны крепления и избыточность в расположении сухожилий, чтобы отдельные сухожилия можно было разгерметизировать и заменить без ущерба для безопасности конструкции.

Эти положения о конструкции добавляют первоначальные затраты, но обеспечивают ценную страховку от будущих потребностей в ремонте. Для стадионов с ожидаемым сроком службы от 50 до 100 лет возможность замены сухожилий продлевает срок полезного использования конструкции и максимизирует отдачу владельца от инвестиций.

Будущие инновации в производстве стали для стадионов

Эволюция технологии предварительного натяжения стали продолжает расширять границы того, что возможно в дизайне стадиона. Несколько новых тенденций, вероятно, будут формировать следующее поколение площадок.

Ультра-высокопроизводительный бетон с предварительным стрессом

Сочетание сверхвысокопроизводительного бетона (UHPC) с преднапряжённой сталью позволяет создавать конструкции беспрецедентной толщины и пролета. UHPC, с прочностью на сжатие, превышающей 150 МПа, и внутренней растяжимой пластичностью, уменьшает бетонную крышу, необходимую для защиты от коррозии, и позволяет даже на более мелкие структурные глубины. Экспериментальные конструкции UHPC с преднапряжённым балкой достигли пролетов, превышающих 200 футов с глубиной всего 18 дюймов, открывая новые возможности для легких, полупрозрачных конструкций крыши.

Умные теннисные доски с встроенным сенсором

В настоящее время ведутся исследования по разработке престрессовых сухожилий с интегрированными волоконно-оптическими датчиками, которые измеряют деформацию, температуру и коррозионный потенциал по всей длине сухожилия. Эти умные сухожилия будут предоставлять непрерывные данные в режиме реального времени о структурном здоровье, устраняя необходимость периодических ручных проверок и позволяя инженерам обнаруживать проблемы на самых ранних стадиях. Несколько пилотных установок в мостовых конструкциях продемонстрировали осуществимость этой технологии, и принятие в строительстве стадиона ожидается в течение следующего десятилетия.

Устойчивые стрессовые системы

Устойчивое давление стимулирует инновации в материалах и методах предварительного натяжения. На рынок выходят переработанные стальные волокна, низкоуглеродистые цементирующие материалы и сухожилия, изготовленные с использованием процессов электродуговой печи с высоким содержанием вторичного сырья. Некоторые производители разрабатывают биоразлагаемые проточные материалы, которые уменьшают воздействие на окружающую среду установки сухожилий. Эти достижения согласуются с более широкой промышленностью, направленной на строительство с нулевым содержанием углерода и проектирование объектов, сертифицированных LEED.

Нижняя линия для владельцев и дизайнеров мест

Престрессовая сталь коренным образом изменила экономику и эстетику строительства стадионов. Для владельцев технология обеспечивает более удобное пространство за доллар инвестиций, снижает текущие расходы на техническое обслуживание и конструкции, которые могут адаптироваться к меняющимся требованиям к событиям в течение десятилетий обслуживания. Для дизайнеров предварительный стресс обеспечивает свободу создавать знаковые формы, которые были бы невозможны с обычными методами строительства. Для зрителей результатом являются площадки с беспрепятственными линиями обзора, удобными сидениями и безопасностью, которая исходит от хорошо спроектированных структурных систем.

Проекты, выделенные в этой статье, демонстрируют, что успешное применение престрессовой стали требует тесного сотрудничества между владельцами, архитекторами, инженерами-строителями и специализированными подрядчиками. Ранняя интеграция концепций предварительного стресса в процесс архитектурного планирования дает наибольшие преимущества с точки зрения стоимости, графика и производительности. Владельцы, рассматривающие новое строительство места или капитальный ремонт, должны привлекать консультантов с конкретным опытом в структурах стадиона для оценки возможностей и рисков для их конкретного проекта. При правильном проектировании и исполнении, предварительный стресс сталь остается одним из самых мощных инструментов, доступных для создания самых впечатляющих и устойчивых спортивных и развлекательных объектов в мире.