Las líneas de visión sin columnas y la optimización de la carga de viento para los techos del estadio
Los estadios requieren 80-120 metros de luz clara para las líneas de visión del espectador sin obstáculos, dos baldosas con cantilever que resisten a la elevación extrema del viento y entornos acústicos que amplifican la energía de la multitud sin batería estructural.
Un techo de estadio no es un techo de almacén con extensiones más grandes
La diferencia fundamental entre un techo de estadio y un techo industrial grande no es la magnitud de la extensión es la combinación de cuatro exigencias de ingeniería que ningún otro tipo de edificio encuentra simultáneamente.
Primero, la geometría de la línea de visión. Cada asiento en un estadio debe tener una vista desobstruida de la superficie de juego. Esta no es una preferencia estética es un requisito funcional que dicta la colocación de las columnas estructurales. Las columnas solo se pueden ubicar en "zonas de sombra de horizonte" áreas donde el ancho de una columna no obstruye la visión de ningún espectador del campo. En un estadio oval típico, estas zonas son estrechas e irregularmente distribuidas, forzando extensiones estructurales que no son uniformes. Una cuadrícula del techo del estadio no es una cuadrícula rectangular; es una geometría adaptada al análisis de la línea de visión, con longitudes que varían según la ubicación alrededor del perímetro.
En segundo lugar, la dinámica del viento en los doselles de los doselles. La mayoría de los techos modernos del estadio no son cúpulas completamente cerradas. Son techos parciales doselantes con cantileveres proyectados hacia adentro desde el perímetro, abriendo el recipiente de asientos mientras deja el campo abierto al cielo. Un doselante con cantilever de 30-40 m es una superficie en forma de ala expuesta al viento de todas direcciones. El viento no simplemente empuja hacia abajo en esta superficie; crea distribuciones de presión complejas con fuerte succión en la superficie superior, vórtices que se derraman en el borde delantero y reapego turbulento río abajo. Sin pruebas de túnel de viento, estos efectos no se pueden predecir con precisión, y un dosel diseñado por fórmulas de código solo puede ser peligrosamente sub-diseñado para el entorno real del viento.
Tercero, el rendimiento acústico. Un techo de estadio es un reflector acústico. Un techo de metal duro y plano refleja el ruido de la multitud hacia el campo, amplificando la atmósfera que hace que los deportes en vivo sean atractivos. Pero el mismo reflejo también puede amplificar el tambor inducido por el viento el pulso de baja frecuencia generado por el derramamiento de vórtices en el borde del techo. El diseño estructural debe equilibrar la reflectividad acústica (que el arquitecto quiere) con la supresión de vibraciones (que el ingeniero requiere). Esto no se puede resolver añadiendo paneles acústicos después del hecho; debe abordarse en la geometría estructural misma.
Cuarto, vibración inducida por la multitud. Un techo de estadio no es una estructura estática. Cuando 50.000 espectadores saltan al unísono durante una celebración de gol, generan una carga dinámica de 0,5-1,0 kN/m2 a 2-3 Hz. Si la frecuencia natural del techo está en este rango, la estructura amplifica la entrada no solo perceptiblemente, sino visiblemente.
Sistemas estructurales para los techos de los estadios
Por qué los estadios requieren 80-120 metros de luz, cómo la topología de la rejilla afecta las líneas de visión, y cuando los sistemas de cuerdas de haz se hacen cargo de las redes puras.
Requisitos de espacio y optimización de la línea de visión
Un estadio de asientos de tazón tiene típicamente 150-250 m de diámetro para un gran lugar. El techo debe cubrir este diámetro, o una parte significativa de él, sin columnas interiores. El espacio desde el soporte del perímetro hasta el borde delantero de un dosel de cantilevered es típicamente 30-40 m para un techo parcial. Para un techo completamente cerrado, el espacio transparente a través del diámetro completo del tazón puede alcanzar 120-200 m un rango donde las redes convencionales de doble capa se vuelven estructuralmente ineficientes y sistemas de cuerdas de vigas o los sistemas de cableados se conviertan en el tipo estructural adecuado.
El red de esferas enbolsadas Es el caballo de trabajo para estadios de 60-120 m. Para un espacio de 100 m, una red de doble o triple capa con una profundidad de 6-8 m logra el espacio con un consumo de acero de 25-40 kg/m2. Para espacios superiores a 120 m, el peso propio de una red pura comienza a dominar la demanda estructural. La red está llevando su propio peso más que las cargas aplicadas. En este punto, un sistema de cuerdas de vigas se vuelve más eficiente: la red forma el acorde superior, y los cables pretsurridos reemplazan el acorde inferior, poniendo la red en compresión y los cables en tensión pura. Este sistema híbrido, que desplegamos para nuestro cobertizo de carbón de récord mundial de 229 m, reduce el consumo de acero en aproximadamente 30% en comparación con una red convencional de tensión en el mismo espacio de espacio.
Para las secciones de dosel con columna, estructuras de tuberías El tubo de la cantilera de la cantilera de 30-40 m es posible con una profundidad de 3-4 m en el soporte, reducido a 1-1.5 m en el borde delantero. La corteza no es simplemente estética sigue el diagrama del momento de flexión, colocando el material donde las fuerzas lo exigen y retirándolo donde no lo hacen. El borde del cantilera es la zona de diseño de viento crítica; el derramamiento de vórtices en este borde genera las cargas dinámicas que rigen el tamaño estructural del cantilera.
Topología de la red y puntos de vista del espectador
La disposición de los miembros de la cuadrícula la topología no es arbitraria. En un estadio, la cuadrícula debe seguir la geometría de la línea de visión. Si el estadio es oval, la cuadrícula sigue la curvatura oval. Si la taza de asientos tiene ángulos de rascacielos variables (más pronunciados en la cubierta superior, más poco profundos en la inferior), las posiciones de las columnas de soporte del techo cambian en consecuencia, y las longitudes de la cuadrícula varían alrededor del perímetro.
Una topología de la rejilla radial miembros que irradiaban desde el centro de campo y los haces de anillo a intervalos regulares naturalmente sigue la geometría circular de muchos estadios. Cada celosía radial se extiende desde el perímetro hasta el borde principal, con haces de anillo que unen los celosías radial entre sí y distribuyen la carga de forma circunferencial. El sistema de esfera con perforación acompaña a esta geometría radial porque cada nodo se perforó de forma independiente en los ángulos que la geometría exige no hay dos nodos en una rejilla radial que comparten el mismo patrón de ángulo de perforación.
Para los estadios rectangulares o ovoides, una cuadrícula rectangular con diferentes longitudes de la bahía puede ser más apropiada. La cuadrícula se coloca de manera que las posiciones de las columnas coincidan con las zonas de sombra de la línea de visión, y las longitudes de la franja varían para acomodar el espacio de la columna no uniforme. El análisis estructural debe tener en cuenta las diferentes franjas una cuadrícula de sección uniforme aplicada a diferentes franjas resulta en que algunos miembros están sobre-diseñados (acero despilfarrado) y otros sub-diseñados (fallo de riesgo).
Pruebas de los túneles de viento para techos en clavijas
Para los techos de los estadios, los cálculos de carga de viento basados en código son insuficientes. La compleja geometría de un techo parcial abierto de un lado, sólido del otro, con un borde de ventaja libre expuesto al flujo produce distribuciones de presión del viento que ningún código de construcción captura con precisión. Requerimos pruebas de túnel de viento para todos los proyectos de techo de estadio con cantilever.
Un modelo de túnel de viento del estadio y su terreno circundante (incluidos los edificios adyacentes que pueden canalizar o bloquear el viento) se construye a escala de 1:200 a 1:400. El modelo está equipado con cientos de grifos de presión en las superficies del techo. El túnel genera viento en diferentes ángulos de ataque e intensidad de turbulencia, y los grifos de presión registran la presión instantánea en cada ubicación en el techo.
Los datos de las pruebas de túnel de viento revelan distribuciones de presión que son dramáticamente diferentes de las suposiciones del código. El borde del frente de un dosel de cantilevered experimenta coeficientes de aspiración máximos de -1.5 a -2.5 (en comparación con los -0.8 a -1.0 asumidos por los códigos típicos). La aspiración no es uniforme Pico en el borde del frente y se descompone rápidamente dentro de 5-10 m. Esto significa que los miembros del borde del dosel deben estar diseñados para fuerzas de elevación significativamente más altas que los miembros interiores. El diseño estructural utiliza coeficientes de presión derivados de la carga del viento-túnel para cada zona de la red, no un solo viento uniforme aplicado a todo el techo.
El desprendimiento de vórtices el desprendimiento periódico de vórtices desde el borde delantero del dosel genera una carga dinámica a una frecuencia determinada por la velocidad del viento y la geometría del borde del dosel. Si esta frecuencia coincide con la frecuencia natural del dosel, se produce una amplificación de resonancia. Los datos del túnel del viento identifican la frecuencia crítica de desprendimiento de vórtices, y el diseño estructural verifica que la frecuencia natural del dosel se elimina suficientemente de ella.
Cómo el techo del estadio se convierte en un instrumento acústico
Un techo de estadio es un gran reflector acústico suspendido a 30-50 m sobre la superficie de juego. Cuando la multitud rugía, el sonido golpea el techo y se refleja hacia el campo y los espectadores. Un techo bien diseñado amplifica el ruido de la multitud en 3-6 dB haciendo que el estadio sea más ruidoso e intimidante para los equipos visitantes, lo que es exactamente lo que el operador del lugar quiere.
La reflectividad del techo depende de su material, geometría y masa. Un techo de pie de metal con cubierta de hormigón refleja el sonido de frecuencia media y alta de manera eficiente. Un techo ligero sin masa transmite un sonido de baja frecuencia en lugar de reflejarlo, lo que resulta en un ambiente acústico más delgado. El diseño estructural debe acomodar la masa del techo acústico sin sobre-dimensionar la red para el peso que no proporciona ningún beneficio estructural.
El reto es que la misma superficie dura que refleja el ruido de la multitud también refleja el tambor inducido por el viento. El derramamiento de vórtices en el borde del frente de la azotea genera fluctuaciones de presión de baja frecuencia (típicamente 0.5-2 Hz) que afectan a la superficie del techo. La estructura del techo transmite estas fluctuaciones como sonido rumores de baja frecuencia.
La solución estructural no es suavizar la superficie del techo (lo que sacrificaría la amplificación del ruido de la multitud) sino endurecer la estructura contra la frecuencia de derramamiento de vórtices. Un dosel más rígido tiene una frecuencia natural más alta, más lejos de la banda de derramamiento de vórtices, reduciendo la respuesta dinámica. El endurecimiento se logra aumentando la profundidad de la celosía en el borde delantero, agregando miembros de soporte diagonales para endurecer el marco del borde delantero o instalando amortiguadores de masa afinados en los puntos de máxima respuesta dinámica. Estas son soluciones estructurales para un problema acústico y requieren coordinación entre el consultor acústico y el ingeniero estructural desde las primeras etapas del proyecto.
Proyectos de espacios deportivos que hemos entregado
Deportes
Centro moderno de Pentathlon
Un lugar multi-deportivo que requiere líneas de visión sin columnas en toda la zona de la competencia. Techo de red de gran luz con secciones de dosel con columna, diseño con túnel de viento verificado y análisis de vibración inducida por la multitud para más de 20,000 espectadores.
Deportes culturales
Centro de Tai Chi Jiaozuo
Un lugar cultural y deportivo que combina elementos arquitectónicos tradicionales con la moderna ingeniería de estructuras de acero de larga distancia.
Sistemas estructurales para las aplicaciones de estadios
Primaria
Red de Esfera Boltada
Las redes de doble y triple capa para estadios de 60-120 m. Topología radial o rectangular adaptada a la geometría de la línea de visión.
Cantileveras
Término de la tubería de acero
Tapered cantilever celosías para los doselones de estadio de 30-40 m. El borde de liderazgo endurecimiento contra el derramamiento de vórtices.
Espacio de tiempo ultra largo
Sistema de cuerdas de vigas
Sistema híbrido de red más cable para extensiones superiores a 120 m. Reducir el consumo de acero en un 30% en comparación con la red pura. Pre-tensión de cable para desviación controlada.
¿Planeando un estadio o un techo de la Arena?
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