Красота точного расчёта

Строительство уникальных общественных зданий всегда связано с поиском баланса между архитектурным замыслом, конструктивной надёжностью, сроками реализации и стоимостью строительства. Особенно сложной становится задача, когда объект возводится в сейсмически активном регионе, имеет сложную пространственную геометрию и требует применения большепролётных конструкций.

Именно с такой задачей столкнулись участники строительства нового культурного комплекса в Атырау (Казахстан), где специалисты EVRAZ STEEL ENGINEERING предложили инженерное решение, позволившее существенно повысить технологичность реализации проекта.

В Атырау строится современный культурный комплекс, который объединит историко-краеведческий музей, художественную галерею, смотровую площадку и концертный зал имени Курмангазы на 1200 мест.

Общая площадь комплекса составляет около 38 тыс. кв. м, высота — 26 м. Проект включает три здания на едином стальном каркасе общей металлоёмкостью около 4 тыс. тонн.

При этом объект нельзя назвать типовым. Сложная криволинейная архитектура, многоуровневый каркас, большие пролёты и строительство в сейсмическом районе потребовали применения нестандартных инженерных решений.

Наиболее сложной частью комплекса стал концертный зал.

Концертный зал — конструктивно самая сложная часть комплекса. Здание высотой около 28,5 м запроектировано на веерной (радиальной) сетке осей: балки перекрытий и косоуры амфитеатра расходятся лучами от центра зала, что само по себе исключает типовые повторяющиеся ячейки — почти каждая балка индивидуальна по длине и опиранию.

Каркас — стальной, рамный, с жёсткими защемлёнными колоннами и железобетонными стенами ядер жёсткости; перекрытия — железобетонные плиты по стальным балкам. Площадка строительства относится к сейсмическим районам Республики Казахстан, конструкции запроектированы по СП РК 2.03-30 с учётом расчётной температуры наиболее холодной пятидневки ниже −24 °C.

Покрытие над залом — стальные фермы трёх типоразмеров пролётами примерно 44, 38 и 30 м при высоте порядка 4,6 м, с подвесным техническим этажом, колосниковыми настилами сцены и ходовыми мостиками. Именно фермы и примыкающие к ним конструкции сосредоточили основную массу металла — и основной потенциал для оптимизации.

В первоначальной редакции КМ значительная часть несущих элементов была запроектирована в сварном исполнении:

• балки перекрытий — сварные двутавры, собранные из листа: пояса шириной от 220 до 400 мм, стенки высотой от 600 до 1100 мм;
• пояса ферм покрытия — составные сварные сечения: коробчатые из четырёх листов и тавровые;
• по сварной схеме выполнялись и подферменные балки, и ряд ригелей рамных узлов.

По результатам технического анализа, выполненного специалистами EVRAZ STEEL ENGINEERING, в новой редакции КМ проведена системная замена сварных сечений на горячекатаный прокат. Подход тот же, что был отработан на здании музея, и опирается на простое инженерное правило: если высота стенки сварной балки не превышает ~700 мм, для неё практически всегда существует прокатный аналог по ГОСТ Р 57837-2017 — балочной, широкополочной или колонной серии.

Балки перекрытий. Весь массив рядовых балок радиальной сетки переведён на горячекатаные двутавры балочной серии. Замена выполнялась с проверкой по прочности, жёсткости и общей устойчивости; критерий допустимости — утяжеление сечения не более 15% относительно сварного прототипа. На практике для большинства позиций утяжеление оказалось существенно ниже, а по ряду позиций прокатный профиль вышел даже легче за счёт более рационального распределения материала.

Пояса ферм. Ключевое изменение. Вместо составных сварных коробов и тавров пояса ферм всех трёх типоразмеров выполнены из прокатных широкополочных двутавров, раскосы и стойки — из гнутосварных замкнутых профилей по ГОСТ 30245. Это не только убрало километры поясных швов, но и упростило монтажные стыки: фрикционные соединения на высокопрочных болтах из стали 40Х «Селект» с прокатным поясом собираются по типовой схеме «накладки + болты», без сложной подгонки, неизбежной для сварных коробчатых сечений.

Резерв по материалу. Прокат поставляется из сталей С245/С345 по актуальной редакции ГОСТ 27772, что даёт проектировщику дополнительный резерв по расчётному сопротивлению — порядка 10–12% для ряда толщин по сравнению с ранее нормируемыми значениями. На сейсмическом объекте этот запас лишним не бывает.

Замена не была самоцелью. В сварном исполнении сохранены:

• балки со стенкой 750–1100 мм — подферменные и большепролётные ригели, для которых прокатного аналога не существует;
• коробчатые сечения колонн из листа толщиной 18–25 мм, продиктованные компоновкой рамных узлов и работой на два направления сейсмической нагрузки;
• опорные зоны ферм, где конфигурация узла определяет сечение.

В новой редакции КМ доля горячекатаного проката в массе каркаса выросла кратно; сварными остались только элементы, объективно не имеющие прокатных аналогов. По оценке трудоёмкости изготовления эффект измеряется десятками процентов — за счёт исключения операций сборки-сварки поясных швов, правки и связанного с ними контроля. Дополнительный выигрыш — сроки: прокатный двутавр поставляется с металлобазы, тогда как сварной ещё нужно изготовить.

Показательно и качество проработки новой редакции: комплект дополнен таблицами нагрузок, схемами тяжей, ходовых мостиков и таблицей усилий на фундаменты — заказчик получил не «замену сечений», а полноценно переработанный рабочий проект.

В итоге инженерное решение EVRAZ STEEL на основе горячекатаного двутавра позволило не просто заменить часть конструкций, а оптимизировать весь проект. Заказчик получил возможность сократить трудоёмкость изготовления металлоконструкций, уменьшить объём контроля качества, сделать производство и монтаж более технологичными, снизить организационные риски и сохранить все требования к прочности, долговечности и сейсмостойкости здания.