Stadion Soccer City i jego projekt konstrukcyjny

Stadion Soccer City i jego projekt
konstrukcyjny
Firma inżynierska P.D. Naidoo & Associates (PDNA), odpowiedzialna za modernizację Soccer
City, współpracowała z niemiecką firmą Schlaich Bergermann & Partners, jako specjalistycznym doradcą
w zakresie konstrukcji zadaszenia a dokładniej w celu opracowania szczegółowej analizy i projektu
konstrukcji zadaszenia i fasady.
Istniejący stadion, który został pierwotnie wybudowany w 1987 roku,
składał się z boiska, które było otoczone miejscami siedzącymi na
obwałowaniu, 2 poziomów apartamentów reprezentacyjnych oraz
podniesionej kondygnacji z miejscami siedzącymi tylko po stronie
zachodniej.
Architekci tego prestiżowego projektu, Boogertman + Partnerzy, z
udziałem Populous, stworzyli, "afrykański garnek", który będzie
rozpoznawany przez widzów w każdym zakątku świata. W celu
osiągnięcia tego wyjątkowego wyglądu stworzono konstrukcję kolistą w
kształcie, planie i przekroju, żeby pokryć zmodernizowaną trójkondygnacyjną betonową misę z miejscami
do siedzenia.
Kolisty format planu garnka, który otacza prostokątną misę z trybunami oraz boisko, został wybrany po to,
aby zapewnić spójność w planie i przekroju fasady, a w ten sposób ułatwić proces detalowania,
wytwarzania i montażu. To dodatkowo zagwarantowało, że 120 betonowych kolumn fasadowych będzie
spójnych w kształcie i formie. Mając na uwadze, że istniejąca konstrukcja betonowa miała ograniczone
możliwości przenoszenia dodatkowego ciężaru zadaszenia nałożonego na nią, zespół projektowy
postanowił usunąć konstrukcję zadaszenia z konstrukcji misy z trybunami i umieścić konstrukcję
zadaszenia na 12 betonowych filarach bez otynkowania. Filary te wymagały pomysłowego rozwiązania w
zakresie palowania.
Palowanie
Około 1350 pali zainstalowano w Soccer City. Wyjątkowo wysokie obciążenia konstrukcji betonowej oraz
zadaszenia są przenoszone na fundamenty, w rezultacie czego zaprojektowano oraz wybudowano jedne z
najbardziej ekstremalnych pali, jakie kiedykolwiek instalowano w Afryce Południowej. Wszystkie pale oraz
boczne oparcia zostały zaprojektowane przez ARQ i Verdicon, a zainstalowane przez GEL.
Podczas gdy wiele pali przenosi ogromne obciążenia ściskające, wiele pali podlega także wyjątkowo
wysokim obciążeniom naprężającym. Fasada w kształcie kalabasy oraz zadaszenie przenoszą obciążenia
z zadaszenia w dół za pośrednictwem dwunastu filarów wykonanych z betonu zbrojonego oraz 120
pochylonych kolumn fasadowych znajdujących się na obwodzie do fundamentów palowych. Niektóre
fundamenty filarów muszą być wytrzymałe na obciążenia naprężające do 13000kN, w połączeniu z
obciążeniami tnącymi sięgającymi 6000kN oraz momentem zginającym wynoszącym 125000kNm. Ze
względu na ograniczoną przestrzeń możliwa była instalacja maksymalnie 12 pali na jeden fundament filara,
w rezultacie czego niektóre pale podlegają obciążeniom naprężającym sięgającym 5800kN (580 ton). W
celu przejęcia ogromnych obciążeń projektanci postanowili zakotwić pale na głębokości 6 m w podłożu
piaskowca, używając prętów naprowadzających instalowanych przez podstawę pala. W niektórych
przypadkach pale o średnicy 1500 instalowano na głębokości 33m, co stwarzało potrzebę zużycia prawie
60m³ betonu w pojedynczym palu.
Filary
Zadaszenie jest oparte na 12 dużych, wysokich na 40 m,
prostokątnych betonowych filarach, z których każdy został
zaprojektowany tak, aby wytrzymać ogromne poziome i pionowe
obciążenia. Filary są zróżnicowane w planie, od 3.5m x 5.0m do 3.5m
x 14.0m, przy czym średnia grubość ściany wynosi 600mm. Ogromna
zawartość stali zbrojeniowej wynosząca 460kg/m³ (w przybliżeniu
trzykrotnie wyższa niż w zwykłym betonie zbrojonym) sprawiła, że
umieszczanie i zagęszczanie betonu było wyjątkowo trudne.
Sztywność filarów pod zmieniającymi się kombinacjami obciążenia musiała zostać dokładnie określona,
ponieważ miało to wpływ na siły konstrukcji zadaszenia wykonanej z stali konstrukcyjnej. Projekt oraz
sztywność filarów zostały dodatkowo skomplikowane przez rozmaite otwory, które musiały zostać
wykonane dla instalacji elektrycznej, mechanicznej, pożarowej, usługowej i ewakuacji wody. Wszystkie te
instalacje zostały zaprojektowane na wczesnym etapie procesu i zademonstrowane przez architektów w
technice 3D, żeby upewnić się, że wszystkie przepusty są w pełni skoordynowane przed zaprojektowaniem
zbrojenia przez inżynierów. Był to wymóg, ponieważ nie istniała możliwość rozpatrywania późniejszych
wniosków o przepusty inżynierów instalacyjnych. Filary opierają się na fundamentach palowych opisanych
powyżej; niektóre pale podlegają obciążeniom w dół sięgającym 1100 ton oraz obciążeniom w górę
wynoszącym 580 ton. Oprócz filarów, zadaszenie opiera się na 16 kolistych kolumnach o średnicy 1 metra.
Podstawy filarów
Aby przenieść ogromne obciążenia z zadaszenia poprzez betonowe filary na pale naprężające i ściskające,
potrzebne były ogromne głowice pali o głębokościach przekraczających 4 m. Budowa tak dużych podstaw
wymagała dokładnego planowania, ponieważ musiało być kontrolowane ciepło hydratacji oraz zapewnione
bezpieczeństwo pracowników budowlanych, którzy często musieli pracować pod zbrojeniem. Zmienne
warunki gruntowe na placu budowy często zmuszały inżynierów do dostosowywania projektów tychże
podstaw.
Oparcie boczne
W celu zapewnienia dostępu do ukończonej misy stadionu musiano
wykonać trzy głębokie tunele z wykopem pionowym. Zachodni tunel
dla zawodników biegnie pod istniejącą konstrukcją stadionu oraz
posiada stałe oparcie o maksymalnej wysokości pionowej wynoszącej
10.0m. Tunel dla zawodników został zaprojektowany jako nachylony
szyb kopalniany, będący odniesieniem do bogatej historii kopalni złota
Johannesburga.
Tunele południowo-zachodni oraz północno-wschodni zostały zbudowane w nowych częściach stadionu. Ze
względu na ograniczenia programowe postanowiono zbudować w tych tunelach stałe oparcie boczne,
składające się z gruntu gwoździowanego, betonu natryskowego i siatki. Z powodu konstrukcji głębokich
głowic pali przy podstawie północno-wschodniego tunelu zbudowano oparcie boczne o wysokościach
pionowych do 13.0 m.
Dźwigary ukośne
W celu znacznego poprawienia linii widzenia istniejącego stadionu zwiększono kąt pochylenia istniejącej
zachodniej górnej kondygnacji do maksymalnej wartości 34 stopni, wprowadzono także dodatkową
podniesioną kondygnację z miejscami do siedzenia w górnej części miejsc siedzących na obwałowaniu. Na
północnych, wschodnich i południowych pawilonach zbudowano dwa poziomy apartamentów
reprezentacyjnych, tworząc w ten sposób klasyczną trójkondygnacyjną misę. Wszystkie dźwigary ukośne
zostały zbudowane przy użyciu specjalnie wykonanego szkieletu. Istniejące prefabrykowane schodkowania
zachodniej górnej kondygnacji zostały usunięte, rozdrobnione i ponownie wykorzystane jako warstwy
podkładowe dla masowych robót ziemnych. Wszystkie nowe schodkowania dla trybun zostały zbudowane z
prefabrykowanego betonu, wszystkie schodkowania zostały wykonane na placu budowy.
Miejsce składowania prefabrykatów i elementy prefabrykowane
W celu redukcji czasu budowy oraz zmniejszenia liczby uszkodzeń elementów prefabrykowanych, a także
w celu uzyskania wyrobu o odpowiednim stosunku wartości do ceny, główny wykonawca, GLTA/Interbeton,
zdecydował się utworzyć na placu budowy węzeł betoniarski oraz miejsce składowania prefabrykatów.
Pozwoliło to na łatwe inspekcje elementów, które miały całkowicie unikatowe wymiary ze względu na
istniejącą geometrię misy starego stadionu, a zarazem pozwoliły na prawidłowy montaż przy minimalnym
nakładzie obsługi.
Kolumny fasadowe
Projekt oraz budowa kolumn fasadowych były jednymi z
najtrudniejszych elementów prac dotyczących konstrukcji betowej.
Konstrukcja fasady opiera się na 120 pochylonych betonowych
kolumnach przykrywających stadion. Wysokość kolumn wynosi 16.3
m, a górna część każdej z tych kolumn charakteryzuje się
niewspółśrodkowością poziomą wynoszącą 6,5m w stosunku do
podstawy, skutkując dużymi momentami i obciążeniami w górę
działającymi na fundamenty palowe. Ze względu na duże momenty i
siły działające w tych smukłych kolumnach stal zbrojeniowa jest wyjątkowo gęsta (860 kg/m³), co
sprawiało, że używanie zagęszczacza do betonu było wyjątkowo trudne. Firma GLTA/Interbeton
postanowiła użyć samozagęszczającego betonu do budowy tych kolumn. Wszystkie kolumny fasadowe są
połączone belkami stropowymi głównymi, które działają w naprężeniu pierścieniowym tak, aby ograniczyć
długoterminowe ugięcia kolumn i konstrukcji fasady. Projekt oraz budowa kolumn fasadowych zostały
zaplanowane i wykonane bardzo starannie; czasowo stosowano podpory i usztywnienia, aby zapobiec
ugięciu podczas budowy.
Okładzina fasady
Ostateczny wybór materiału fasady został dokonany po rozległych poszukiwaniach przeprowadzanych
przez architektów, aby dobrać taki produkt, który ostatecznie będzie odzwierciedlał naturę koncepcji
kalabasy. Odrzucając pomysły okładzin z kompozytowego aluminium, stali oraz różnych opcji materiałów
okładzin dachowych, architekci przypadkowo zostali zaznajomieni z panelem z betonu wzmacnianego
włóknem szklanym zwanym Fibre C, pochodzącym z Rieder Elements w Austrii. Produkt został
dostarczony w panelach o różnych wykończeniach powierzchni, gładzonych i piaskowanych, w
asortymencie ośmiu ziemistych kolorów, aby stworzyć to unikatową barwną okładzinę fasady. Panele,
które są lekkie, a ich grubość wynosi tylko 13 mm, zostały dostarczone w typowych wymiarach paneli 1200
x 1800 mm i przymocowane do ocynkowanej stalowej ramy pomocniczej. Ponadto panele posiadają
znakomite właściwości cieplne, zostały też poddane rygorystycznym badaniom, w tym badaniom w
zakresie oddziaływania gradu, przenikania wody i przebarwienia.
Rampy
Zbudowano osiem dużych ramp dla pieszych, przeznaczonych do wydajnego przemieszczania się widzów
do/z górnych poziomów stadionu. Rampy, które również zapewniają dostęp kołowy do wszystkich
poziomów, powtarzają kształt misy fasady i w rezultacie zmieniają pozycję w planie z jednego poziomu do
następnego. Oprócz pochylonych kolumn fasadowych pozostałe kolumny podpierające rampy są pochylone
i wymagają skomplikowanych technik analizy projektu oraz budowy. Trójwymiarowe konstrukcje kładek
tworzą masywne atria, które wizualnie i fizycznie łączą wszystkie poziomy hali stadionu.
Tekst: Boogertman + Partners
Zdjęcia: ©Silvia Scalzo, ArcelorMittal
1. Stadion został rozbudowany o dodatkowy trzeci poziom.
2. Jeden z betonowych filarów wspierających zadaszenie.
3. Służbowe apartamenty, trybuny i membrana zadaszenia.
4. Rampa dla pieszych, prowadząca do trybun oraz widok wewnętrzny elewacji.
Copyright © 2014 Constructalia. All rights reserved