Стеклянная кора» — крупнейшая в мире светопрозрачная конструкция без опорных ограждающих стен. Она представляет оболочку свободной формы и имеет габаритные размеры 130 х 90 м. Площадь покрытия из металлического каркаса и стеклянных треугольников составляет 8,7 тыс. кв.м. Средняя длина стержневых элементов составляет 2,5 метров, углы между ними выдерживались максимально близко к значению в 60 градусов. На рисунке 1 приведен общий вид готовой конструкции.

 

Опорами для данной конструкции являются отдельно стоящие трех-, четырехветвевые колонны треугольного поперечного сечения. Расстояние между ветвями колонн составляет от 12 до 20 метров. Свесы по периметру покрытия имеют вылет до 6 метров. Данная компоновка обеспечивает максимальную горизонтальную прозрачность из-за отсутствия стен/балок по периметру конструкции, а значительное расстояние между опорами позволяет добиться эффекта максимально открытого пространства под Стеклянной корой.

Для обеспечения дополнительной прозрачности конструкций в сторону Красной площади и Кремля выполнена зона из стальных стержней и стеклянных ребер (см.рис. 4). Последние имеют габарит 200 х 56 (ширина) мм. При этом узлы сопряжения выполнены таким образом, что позволяют передавать нагрузку от них на стальной каркас без обратного взаимодействия. То есть стеклянные конструкции могут воспринимать нагрузку от собственного веса, от снега, от ветрового и температурного воздействий и передавать ее на стальной каркас, но в то же время деформации последнего не оказывают дополнительного влияния на ребра из стекла.

 

Еще одной особенностью конструкций покрытия является тот факт, что все его элементы находятся в различных условиях работы, на это оказывают влияние следующие факторы:

– расчетная снеговая нагрузка в различных зонах изменяется от 200 до 450 кг/м2;

– нормативная ветровая нагрузка в различных зонах изменяется от -30 до +20 кг/м2;

– наличие зоны окна со стеклянными ребрами;

– удаленность от опор, пролет между смежными опорами, а также величина консоли (ввиду нахождения по периметру водоотводного лотка с нагрузкой 250 кг/м.п.).

Для учета всех этих факторов, а также обеспечения минимизации сечений и унификации конструкций элементы стального каркаса запроектированы различного сечения:

– прокатные сечением 120х80х7 (использованы в коньковой зоне с минимальной нагрузкой, а также для придания легкости конструкции);

– прокатные сечением 200х100х8 (данные стержни используются в зоне со средней нагрузкой в местах с наклоном более 20 градусов относительно горизонтальной поверхности);

– прокатные и сварные сечением 300х100х10 (12), сечением 350х110, 400х160 (эти элементы используются на плоских поверхностях, а также в зонах с наибольшим скоплением снега);

– стержни переменного по высоте сечения 200-300 х 100; 200-350 х 110; 300-350 х 100; 300-400 х 100.

 

Элементы структурного покрытия, переменные по высоте коробчатого сечения, выполняются с целью обеспечения большей архитектурной выразительности, а также восприятия повышенных усилий в зоне опирания на колонны. Для обеспечения этого условия стержни выполнены по индивидуальному проекту сварными. При этом ширина полок является постоянной, а высота стенки переменной. Данное условие позволило максимально разгрузить сварные швы опорных узлов и при этом выполнить плавный архитектурный переход от сварных узлов к болтовым, которые имеют меньшую высоту сечения. Следует заметить, что максимальная высота сечения узлов приходится на опоры (оголовки колонн), так как в этих зонах максимальный изгибающий момент (до 60 тс х м), с увеличением расстояния от опоры усилия резко уменьшаются, позволяя сократить сечение на другом конце, а также выполнить уже болтовое соединение.

 

Для сопряжении балок различного сечения применены сварные (для опорных узлов) и болтовые (для рядовых узлов) узловые коннекторы. Все болтовые соединения выполнены с помощью коннекторов двух типов: сплошного сечения и наборного сечения . Последние позволяют соединять любые по высоте элементы, обеспечивая при этом экономию металла и сокращая время производства конструкций в заводских условиях.

В наиболее нагруженных зонах (оголовки колонн) применены сварные коннекторы наборного сечения (см. рис. 8). Данные узлы отличаются увеличенной высотой сечения, применением стали повышенной прочности 10ХСНД (С390), а также соединением примыкающих труб на сварке, что позволяет достичь максимальных прочностных и жесткостных показателей.

 

Для успешного выполнения всех вышеперечисленных задач особое внимание было уделено построению геометрии сетки на стадии проектирования. Основной задачей стояло создание элементов с максимальной унификацией по длине и по площади. Для это была создана параметрическая модель Коры в программном комплексе Rhinoceros/Grasshopper . Она позволила на ранних этапах проектирования получить полностью изменяемую под исходные данные поверхность оболочки, а также параметризировать объекты сетчатой оболочки (стержневые элементы, узлы, панели, и т.д). И подобрать наиболее оптимальное положение стержневых элементов и узлов. После оптимизации и согласования формы покрытия, а также расположения его стержней и узлов выполнялся прочностной расчет каждого элемента и узла. Расчетная схема сетчатой оболочки представляет собой пространственную оболочечно-стержневую конечно-элементную модель, выполненную в программном комплексе ЛИРА-САПР с жестким и упругим соединением элементов между собой. Климатические нагрузки при этом определены методом натурных испытаний уменьшенной модели конструкции в аэродинамической трубе. Для подтверждения несущей способности элементов также выполнены натурные испытания (выполнены при поддержке ЦНИИСК им. Кучеренко ) полномасштабных узлов и фрагментов конструкций. И по результатам проведения данных работ были окончательно определены все сечения, которые отвечают требования по первой и второй группам предельных состояний.