Przykłady obiektów projektowanych bądź zrealizowanych w ostatnim okresie wraz z ich zwięzłą charakterystyką.
Projektowanie ustrojów konstrukcyjnych dużych rozpiętości, tj. takich, które przekrywają duże wolne od podpór przestrzenie, zwane w niniejszej pracy przekryciami dużej rozpiętości, wiąże się z rosnącymi wymaganiami adresowanymi do projektantów i wykonawców tych konstrukcji. Szczególnie od projektantów tego rodzaju przekryć żąda się umiejętności, które nie są wymagane przy projektowaniu zwykłych budynków. Występujące siły, włączając te powstałe na skutek skurczu materiału, osiadania podpór, zmian temperatury i efektu kolejności montażu, są zwykle pomijane w wielu rodzajach budynków, natomiast w konstrukcjach przekryć dużej rozpiętości mogą mieć pierwszorzędne znaczenie [8].
Fot. 1 Stadion Maracana, Rio de Janeiro, o wymiarach 298 × 260 m, może pomieścić 78 838 widzów, wg projektu Schlaich Bergermann und Partner (architektura) – K. Göppert z T. Moschner i M. Sayeg (konstrukcja przekrycia), Hightex GmbH (membrana): a) widok z góry (fot. Consorcio Maracana Rio), b) przekrój poprzeczny przekrycia o szerokości 68 m
Przekrycia dużej rozpiętości można podzielić na [1], [10], [11]:
– jednokierunkowe układy przekryć charakteryzujące się stosunkowo dużą długością elementów ułożonych w jednym kierunku, do których zalicza się przekrycia kratownicami, układami kratownicowo-cięgnowymi oraz ramami i łukami;
– dwukierunkowe układy przekryć, w których obciążenia są przejmowane przez dwa lub więcej elementów; do układów tych zaliczają się: dwukierunkowo rozmieszczone kratownice lub dźwigary Vierendeela oraz strukturalne siatki przestrzenne, kopuły wzniesione na rzucie okręgu lub wielokąta, układy cięgnowo-linowe, układy masztowo-linowe i podwieszone, przekrycia dźwigarami linowymi.
W zaproszeniu na sympozjum IABSE Symposium Kolkata-2013 Long Span Bridges and Roofs można przeczytać: przekrywanie dużych rozpiętości, takich jak porty lotnicze, terminale kolejowe, stadiony sportowe, centra kongresowe stało się normą, należy więc zwrócić uwagę na projektowanie, wznoszenie i eksploatację przekryć. Każdego roku oddawanych jest do eksploatacji wiele tego rodzaju obiektów, charakteryzujących się nowymi rozwiązaniami w zakresie konstrukcji przekryć. Obszerny przegląd przekryć dużej rozpiętości różnego rodzaju obiektów zawiera [12].
Fot. 2 Stadion Olimpijski w Kijowie o pojemności 68 000 widzów, wg projektu GMP Architekten – Volkwin Marg, Christian Hoffman i Marek Nowak. Koncepcja i projekt przekrycia: Schlaich Bergermann und Partner – Knut Göppert, Markus Balz i Thomas Moschner [16]: a) widok konstrukcji nośnej, b) widok kopuł świetlikowych rozmieszczonych między linami radialnymi (fot. Oleg Stelmach)
Przekrycia trybun stadionów
Stadiony obecnie projektowane mają zapewniać bezprecedensowe standardy bezpieczeństwa oraz wygodę i efektywność użytkowania [3]. Ponadto zamierzeniem projektantów jest, by konstrukcja stadionów znacznie lepiej się prezentowała od ich poprzedniczek z XX w.
W projektowaniu dużych rozpiętości przekryć stadionów mają miejsce dwa typowe i dość często przeciwstawne trendy: pierwszy polega na wielowartościowej funkcjonalności obiektu, przy spełnieniu wymagań ekonomicznych, jakościowych i eksploatacyjnych, drugi trend zaś reprezentuje wartości symboliczne architektonicznego wyglądu przekrycia. Trendy te znajdują swoje odbicie w przyjętym układzie konstrukcji nośnej. Przyjmuje się, że konstrukcja nośna przekryć powinna być na dużych stadionach dominująca nad innymi elementami stadionu, tj. pokrycia i elewacji.
Rodzaj konstrukcji przekrycia widowni w decydującym stopniu wpływa na koszt i czas budowy oraz na utrudnienia odbioru widowiska.
Rys. 1 Pierścieniowo-linowe przekrycie trybun i boiska Stadionu Narodowego w Warszawie [6], projekt architektury: S. K. Architekci należący do konsorcjum GMP, projekt konstrukcji: SBP
Konstrukcje pierścieniowo-linowe w przekryciach widowni stadionów
Większość przykładów przekryć jest o konstrukcji pierścieniowo-linowej, oparte są one niejednokrotnie na zasadzie budowy koła rowerowego, gdzie funkcję obręczy zewnętrznej pełni sztywny pierścień ściskany. Jest to najczęściej na świecie wybierane rozwiązanie przekryć ze względu na zalety konstrukcyjne i ekonomiczne. Wynika to stąd, że zasadnicze elementy konstrukcji nośnej są poddane głównie rozciąganiu, co umożliwia zastosowanie elementów linowych (fot.1–3, rys. 1–3, fot. 6).
Zaprezentowane są rozwiązania przekryć następujących stadionów: Maracana w Rio de Janeiro (fot. 1), Narodowego w Warszawie (rys. 1), Olimpijskiego w Kijowie (fot. 2), Fonte Nova w Salvador da Baia, Brazylia 2014 (rys. 2), Al.-Gharafa w Al.-Rayyan w Katarze (fot. 3), Asiad w Busan, Korea Płd. (rys. 3).
Rys. 2 Przekrycie pierścieniowo-linowe areny Stadionu Fonte Nova w Salvador da Baia, Brazylia [18] o wymiarach 258 × 216 m i pojemności trybun 50 000 widzów, projekt: Schulitz + Partner Architekten BDA, Braunschweig (architektura) i RFR Ingenieure GmbH, Stuttgart: a) przekrój poprzeczny konstrukcji przekrycia, b) szczegół obwodowego pierścienia ściskanego, c) widok stadionu z lotu ptaka (fot. Manu Dias/World Cup Portal/Associated Press)
Fot. 3 Stadion Al.-Gharafa w Al.-Rayyan, Katar, zaplanowano jako miejsce meczów grupowych FIFA World Cup 2022 [24]. Trybuny pomieszczą 44 740 widzów. Fasada pokryta jest wstęgami w kolorach flag narodowych państw, które zakwalifikowały się do turnieju FIFA
Wpływ obciążeń działających na membranę przekrycia
Następujące cechy mechaniczne decydują o podatności konstrukcji membranowych na zniszczenie na skutek działania wiatru [21], [13] bądź innych wpływów środowiskowych, takich jak opady deszczu lub śniegu: a) lekkość → duża wrażliwość na falowe działanie wiatru, b) podatność → geometryczne nieliniowe zachowanie, c) niska sztywność lokalna → powstawanie dużych przemieszczeń w wyniku oddziaływania wiatru i wystąpienia szkodliwego efektu zwanego flatterem (rys. 3b) lub obciążeniami spowodowanymi opadami deszczu i śniegu. W celu ograniczenia przemieszczeń membrany pokrywającej przekrycie w wyniku dynamicznego oddziaływania wiatru i zwiększenia tym samym jej trwałości rozstaw lin radialnych nie powinien przekraczać 20 m. Z kolei aby uniknąć gromadzenia się wody na membranie, jak w przypadku Stadionu Fonte Nova (fot. 4), nie powinna ona być zbyt płaska [5]. Innym problemem przekryć membranowych jest tworzenie się niecek (fot. 5), z których nie będzie możliwy odpływ wody z topniejącego śniegu.
Rys. 3 Pierścieniowo-linowe przekrycie stadionu w Busan, Korea Płd. [7]: a) przekrój poprzeczny konstrukcji przekrycia trybun z pierścieniem zewnętrznym spoczywającym na 48 żelbetowych pochylonych słupach, b) widok zerwanej membrany w dolnej części słupów po przejściu tajfunu 28 lutego 2005 r.
Fot. 4 Zerwanie membrany PTFE przekrycia Stadionu Fonte Nova w Salvador, Brazylia (fot. Evandro Veiga/Correiro da Bahia) z powodu nagromadzenia się wody po dużych opadach deszczu 29 maja 2013 r., wkrótce po otwarciu stadionu (7.04.2013), w 36 zewnętrznych polach znajdujących się między radialnymi linami [2]
Fot. 5 Worek śnieżny na membranowym zadaszeniu (wg Geiger Engineers)
Przykłady innych rodzajów konstrukcji przekryć trybun stadionów
Poszukując alternatywnych rodzajów konstrukcji przekryć, należy pamiętać, że podtrzymywanie przekrycia nie jest jedynym problemem konstrukcyjnym. Parcie wiatru od dołu może czasem stwarzać o wiele większy problem w przytrzymywaniu przekrycia. Należy podkreślić, że większość przekryć nad trybunami uległa zniszczeniu nie z powodu zawalenia się, ale niszczącego ich podnoszenia przez parcie wiatru od dołu. Podnoszenie to jest często przejściowe i może spowodować dalsze komplikacje przez powstawanie drgań w elementach konstrukcyjnych przekrycia, które muszą być przez nie wytłumione.
Fot. 6 Stadion Main, Basrah, Irak przekryty wspornikowymi przestrzennymi kratownicami o wysięgu 30 m z fasadą pokrytą płytami GFRP, pojemność trybun 65 tys. widzów, wg projektu Thornton Tomasetti (konstrukcja) + 360 Architecture: a) widok stadionu (fot. 360 Architecture), b) widok modelu płyty [22]
Fot. 7 Stadion Narodowy w Singapurze o pojemności 55 tys. widzów, przekryty kopułą o największej w świecie rozpiętości 312 m i wysokości od niecki 80 m, ze środkową częścią ruchomą; konstrukcja ma wysokość 5 m na górze i 2,5 m przy podstawie, konstrukcję zaprojektowała firma Arup Associates; do eksploatacji zostanie stadion oddany w 2014 r. [23]: a) model parametryczny przekrycia, b) wizualizacja części ruchomej przekrycia
prof. dr hab. inż. Sylwester Kobielak
prof. dr hab. inż. Edward Hutnik
Uniwersytet Przyrodniczy we Wrocławiu
Bibliografia
1. H.K. Al Nageim and T.J. MacGinley, Steel Structures, Practical Design Studies, Third Edition Taylor&Francis London New York 2005.
2. M. Bittencourt, World Cup Stadium Roof Collapses after Rain, Folha de Sao Paulo 2013.
3. P. Culley, Steel in Stadia, NSC Magazine, „Sport & Leisure”, Vol. 10, No. 3/2002.
4. J. Ding, Z. Zhang, W. Hong, Recent Applications and Practices of Large-Span Steel Structures in China, 34th Int. Symposium on Bridge and Structural Engineering, Venice 2010.
5. Escoffier, et al., Nice Stadium: Design of a flat single layer EFTE roof. Proceedings of the 2013 TensiNet Symposium, TensiNet, Istanbul 2013.
6. K. Göppert, L. Haspel and C. Paech, New retractable roof solutions for sports stadia, IABSE-IASS London Symposium 2011 Proceeding.
7. K. Göppert, Structures for Stadium Projects, IABSE E-learning Project IABSE Lecture Series A22, Zürich 2007.
8. L.G. Griffis, The Nature of Long-Span, „Structure Magazine” No.11/2004.
9. S. Kliment, Towards Safer Long Span Buildings, American Institute of Architects.
10. S. Kobielak, E. Hutnik, Jednokierunkowe stalowe układy przekryć dużej rozpiętości, „Budownictwo ogólne”, Wyd. Uniwersytetu Technologiczno-Przyrodniczego w Bydgoszczy, 2013.
11. S. Kobielak, E. Hutnik, Dwukierunkowe i przestrzenne stalowe układy przekryć dużej rozpiętości, „Budownictwo ogólne”, Wyd. Uniwersytetu Technologiczno-Przyrodniczego w Bydgoszczy, 2013.
12. S. Kobielak, Przekrycia stalowe dużych rozpiętości, Nowoczesne rozwiązania konstrukcyjno-materiałowo-technologiczne, Konstrukcje metalowe, tom I, XXVII Ogólnopolskie Warsztaty Pracy Projektanta Konstrukcji, PZiTB oddział w Katowicach, Szczyrk 2012.
13. S. Kobielak, A. Klimek, Konstrukcje pierścieniowo-linowe w przekryciach widowni stadionów, „Inżynieria i Budownictwo” nr 7/2008.
14. D.W. Landis, Curtain Up! Sprint Center Structure Helps the Show Go On, „Structure Magazine” No. 1/2006.
15. D. Landis, G. Wendt, Bending Around (Sprint) Center, „Modern Steel Construction” No. 7/2008.
16. National Sport Complex olimpijski in Kiew, „Stahlbau-Nachrichten” nr 1/2013.
17. J. Rowson, The Beauty within, New Civil Engineer (nce), Construction News, www.nce.co.uk.
18. C. Schulitz, M. Kutterer, Big Lift und andere Herausforderungen Stadion Fonte Nova, Salvador da Bahia/BR, DBZ 7/2013.
19. Turbhe Railway Station, Navi Mumbai, India, Roof & Façade Asia, Vol. 4, No. 11.
20. Y. Yao, Structural Expression in Architectural Creation of Sports Facilities, Proc. of the IASS Symposium, Valencia.
21. Yue Wu, The aeroelastic effects of membrane structures under wind actions, The 21st century COE Program Wind Effects on Building and Urban Environment, Tokyo Polytechnic University, 2007.
22. www.bimforum.org.
23. www.designboom.com/architecture/arup-singapore-national-stadium.
24. www.qatar.to.
