CLUJ ARENA: Structural analysis and design BY
PETRINA MIRCEA*, SOCACIU NICOLAE*, HULEA RADU*, PETRINA BOGDAN* Abstract. Această lucrare prezintă structura de rezistență și indicii economici la Stadionul Cluj Arena. Execuția a început în anul 2009 și s-a finalizat in octombrie 2011. Acesta are o capacitate de 30.000 locuri și un regim de înălțime de S+P+5E. Structura de rezistență este alcatuită din cadre de beton armat, iar pentru copertină s-a conceput o structură metalică în consolă. Primul capitol conține prezentarea detaliată a conceptului structural, urmand în capitolul doi să se descrie elementele particulare ale stadionului: îmbinari speciale, tronsonarea structurii, tabela de marcaj și structura de amplasare nocturnă. Indicii economici sunt detaliați ăn capitolul 3, aceasta conținând atât cantitățile de materiale folosite cât și elementele din executie. Cuvinte cheie: stadion, structura de rezistență, indici economici
1. Introduction
Amplasamentul este situat în intravilanul municipiului Cluj-Napoca, în parcul Central, pe latura sudică a râului Someş. Ţesutul stradal din zonă se dezvoltă adiacent întregii suprafeţe de teren. Poziţia centrală îi conferă o bună conectivitate cu toate cartierele. În aceeaşi unitate se înscriu Hotelul Sport şi Strandul Municipal, acestea fiind singurele vecinatăţi construite. Celelalte vecintăţi sunt: extremitatea vestică a Parcului Central, Splaiul Independenţei şi râul Someş, la nord, Strada Uzinei Electrice, de la care incepe o zonă mixtă de locuire unifamilială cu locuinţe colective, la vest, iar în sud terenul este adiacent Aleii Parcului. Zona se află în afara perimetrelor de protecţie a monumentelor de arhitectură şi nu cuprinde construcţii înscrise în patrimoniul cultural [1]. Parcela este aproximativ dreptunghiulară, determinată de două trasee principale pe axa estvest, fiind totodată şi una de capăt, ultima din traseul Parcului Central. Din acest motiv aceasta devine un reper urbanistic ce marchează puternic zona, printr-un contrast ce evidenţiază o importanţă aparte a construcţiei aflate în perimetrul ei [1]. Pe acest amplasament al stadionului se construieşte noul stadion, la standarde internaţionale, cu o capacitate de 28.000-30.000 de locuri, care să respecte normele impuse de criteriile FIFA şi UEFA, precum şi normele generate de prezenţa în incintă a unei piste de atletism de categorie A (Fig.1) [1].
Figure 1. Cluj Arena
___________________________ Department of Structural Mechanics, Faculty of Civil Engineering, Technical University of Cluj-Napoca, 400020, Romania,
[email protected]
*
2. Arhitectura
Fiind un stadion în parc, soluţia adoptată este aceea de a camufla pe cât este posibil obiectivul, în ideea de a reduce impactul lui vizual. Astfel, suma majoritară de funcţiuni va fi acoperită de un taluz artificial, fapt ce va conduce la crearea unei promenade la nivelul imediat următor, promenadă ce va asigura accesul şi distribuirea publicului. Parterul va fi preponderent liber, lăsând să se intrevadă din orice unghi spectacolul construcţiei în sine. Acest nivel va conţine pachetele de scări necesare accesului la nivelul următor de tribune. Între aceste două niveluri se regăsesc lojele VIP, care vor avea şi un acces separat, din curtea de onoare. Următorul nivel, cel al publicului, va conţine grupuri sanitare şi baruri, suficiente pentru o bună încadrare în timpul prevăzut de utilizare a lor [1]. Regimul de înălţime propus este S+P+5E, subsolul fiind totuşi un nivel de cota 0.00, cota terenului de joc, însă acoperit cu un relief artificial finit. Înălţimea obiectului în punctul său maxim este de 36,60 m, iar la cornişă este de 33,60 m[1]. Noul stadion va fi conceput din îmbinarea a patru obiecte, Tribuna 1 (T1), Tribuna 2 (T2), cu secţiunea reprezentată în figura 8, Peluza 1 (P1), Peluza 2 (P2). Acestea vor contine, în principal, dotări pentru confortul publicului (în zona de tribune şi peluze), precum şi spaţiile absolut necesare impuse în organizarea funcţională a obiectivului (vestiare, săli de conferinţe, săli de presă, etc) [1].
Figure 2. Sectiune Transversala
Categoria de importanta : B Clasa de importanta II conform STAS 10100/0 – 75 (factorul de importanţă I = 1,2) Riscul de incendiu : mic, conform capitol 2.1.3. din P118 - 1999 Gradul de rezistenta la foc I conform P118 – 1999 3. Soluţia structurală 3.1. Infrastructura
Soluţia de fundare proiectată pentru toate corpurile este cea de fundaţii izolate sub stâlpii din beton armat şi fundaţii continue sub diafragmele din beton armat [2]. Fundaţiile izolate sunt de tip rigid cu bloc din beton simplu şi cuzinet din beton armat. Fundaţiile continue sunt de tipul fundaţii continue rigide cu bloc din beton simplu. Fundaţiile
izolate au cota de fundare în intervalul -5,15 m -6,55 m (de la cota ±0,00), respectiv -8,05 m (de la cota ±0,00) îin zona îin care coboară cota subsolului. Aceste fundaţii se leagă între ele pe două direcţii cu grinzi din beton armat. Fundarea se va face la toate corpurile T1 şi T2, în stratul de marnă având presiunea de bază Pconv = 750 kPa, iar la corpurile P1 şi P2 în stratul de nisip cu pietriş având Pconv = 450 kPa [2]. Conform studiului geotehnic apa subterană circulă sub formă de panză în stratul aluvionar grosier de pietriş cu nisip şi liant. Sensul general de curgere este spre albia râului Someşul Mic, apele subterane drenându-se spre albia Someşului Mic. În regim pluviometric normal forajele geotehnice executate pe amplasament evidenţiază faptul că orizontul acvifer freatic are grosimi relativ reduse, de ordinul decimetrilor. În perioadele bogate în precipitaţii, apa subteranî poate să apară până în jurul cotei de -2,00 m de la nivelul actual al terenului [2]. În vederea detectării stratificaţiei terenului şi a stabilirii condiţiilor de fundare au fost executate 24 de foraje geotehnice şi au fost preluate foraje şi date din studii geotehnice întocmite anterior pe amplasament. Straturile întâlnite sunt urmatoarele: 1. Umplutură de pământ cu piatră, pietriş, cărămizi. 2. Praf nisipos/ praf argilos cafeniu plastic moale sau plastic consistent. 3. Nisip cafeniu de îndesare medie. 4. Nisip cu pietriş şi liant. 5. Pietriş cu interspaţii umplute cu argilă cafenie plastic consistentă. 6. Pietriş cu nisip şi liant – îndesat sau de îndesare medie. 7. Marnă cenuşie tare (strat de bază de vârstă badeniană) – rocă semistâncoasă compactă. Structura de rezistenţă a tribunelor este o structură în cadre cu stâlpi şi grinzi din beton armat. Plăcile sunt realizate din beton armat monolit cu şi fără predală (hp = 20 cm) şi sunt calculate să formeze şaibe rigide în planul lor, pentru preluarea încărcărilor orizontale. Plăcile descarcă pe grinzile de cadru (monolite şi prefabricate). Gradenele se vor realiza din beton armat prefabricat şi vor descărca tot pe grinzile de cadru [2]. Pe conturul subsolurilor se vor realiza elevaţii din beton armat, prevăzute cu centuri atât la partea inferioară cât şi la partea superioară. Elevaţiile se vor hidroizola vertical cu membrane termosudabile ce se vor proteja la exterior cu membrane tip Tefond. În zonele de rost se vor prevedea profile speciale de rost. Având în vedere cota ridicata a nivelului apei subterane, placa pe sol se va realiza cu grosimea de 25 cm, pentru a rezista la presiunea apei. Placa se va lega de fundaţiile izolate şi de centurile fundaţiilor continue. Armăturile din placă s-au calculat astfel încât să preia presiunea apei. Mai întâi se va turna un beton de egalizare, peste care se execută hidroizolaţia din membrane termosudabile. La rosturi se vor monta profile speciale de rost şi dopuri de mastic plastic. Hidroizolaţia se va proteja cu o şapă din beton peste care se va realiza armarea plăcii. În zonele stâlpilor şi diafragmelor se vor executa, pe blocurile de fundare, hidroizolaţii rigide, peste care se vor racorda membranele. Hidroizolaţia verticală de pe elevaţii se va racorda cu cea orizontală, formând o cuvă etanşă la nivelul subsolurilor [2]. 3.2. Suprastructura
Pereţii de compartimentare se vor realiza din zidărie de dimensiuni variabile, în funcţie de spaţiile delimitate. Scările se vor proiecta ca rampe din beton armat, rezemate pe planşeele de nivel şi grinzi. Terasele, rampele şi scările de la nivelul solului vor fi realizate din beton armat pe umplutură de balast compactat Proctor 95% [2]. Structura de rezistenţă a copertinei peluzelor este de tip fermă cu zăbrele plană, care va ieşi în consolă peste gradene. Structura metalică pentru acoperirea gradenelor va fi alcătuită din tronsoane confecţionate în atelier, asamblate o parte la sol, iar altele la poziţie, funcţie de posibilităţile tehnologice. Pe direcţie longitudinală se prevăd grinzi cu structura zabrelită, cu rol de rigidizare transversală a consolelor. Învelitoarea va fi o învelitoare uşoară. La nivelul acoperişului s-au realizat rosturi prin simpla rezemare a panelor pe grinda principal [2].
Structura metalică a acoperişului este împarţită în patru părţi - două tribune şi două peluze , fiecare având aceleaşi trame ca şi structura din beton. Structura s-a fragmentat în corpuri, prevăzându-se rosturi în traveile în care sunt rosturi în structura din beton. În aceste travei, elementele sunt prinse simplu rezemat pe ferme [2]. Structura de rezistenţă a acoperişului se poate încadra în categoria structurilor cu conlucrare plană, elementele principale de rezistenţă fiind fermele metalice, în figura 3 regăsinduse o travee a tribunei T2 [2].
Figure 3. Structura metalică a acoperişului. Traveea tribunei T2
Aceste ferme sunt alcătuite dintr-o grindă în consolă şi un stâlp. Ferma este încastrată în stâlpul din beton armat, cu secţiunea 1,20 m 0,80 m, în patru puncte. Îmbinările cu stâlpul din beton armat au fost proiectate cu plăci de bază şi buloane, dimensiunile elementelor îmbinărilor şi numărul de buloane fiind în funcţie de eforturile din secţiune. Grinda cu zăbrele este tronsonată în patru părţi, din condiţii de transport şi montaj. Tălpile grinzii sunt elemente metalice alcătuite din table sudate în formă de „H”, diagonalele şi montanţii sunt alcătuiţi din două profile U faţă în faţă, rigidizaţi cu plăcuţe. Imbinarile intre tronsoane au fost proiectate cu SIRP si eclise. Îmbinările între elementele tronsoanelor sunt sudate [2]. Structura a fost rigidizată în planul acoperişului cu ajutorul contravântuirilor, alcătuite din bare pretensionate. Aceste contravântuiri din planul acoperisului se împart în: contravântuiri longitudinale şi contravântuiri transversale. Contravântuirile longitudinale au fost poziţionate la extremităţile fermei şi în zona de legatură dintre grindă şi stâlp, respectiv în partea liberă a consolei şi în partea inferioară a stâlpului. Contravântuirile transversale se găsesc doar în tramele 1, 5, 7, 11, poziţionându-se la extremităţi paralel cu ferma. Contravântuirile longitudinale, care nu se regăsesc în planul acoperişului sunt alcătuite din profile ţeavă atât tălpi cât şi montanţi, iar diagonalele sunt alcătuite din bare pretensionate [2]. Panele sunt articulate în nodurile fermelor şi sunt grinzi plane cu zăbrele alcătuite din profile ţeavă. Unele pane sunt articulate şi de nodul inferior al fermei. Pentru fixarea tălpii inferioare a panelor s-au folosit cabluri.
3.3. Tabela de marcaj
Figure 4. Structura tabele de marcaj
Este pozitionara la partea inferioara a invelitorii metalice, fiind fixata de doua ferme alăturate. Tabela are o înălțime de 5.85m, o deschidere de 9.60m si o grosime de 1.00m. 3.4. Structura amplasare nocturna
Structura nocturnei este alcătuită din profile țeava, având o înălțime de 6m și o deschidere de 10m. Nocturna este fixată pe două ferme metalice din cadrul peluzei.
Figure 5. Structura nocturna 3.5. Incarcari
Încărcări permanente şi tehnologice au fost evaluate conform SR EN 1991-1-1. Încărcarea pe plăcile din beton armat a fost evaluată în funcţie de straturile componente ale fiecarui element, rezultând valori între 3,31 şi 6,20 kN/m2. Încărcările permanente care acţionează asupra fermei metalice au fost evaluate la 0,60 kN/m2, reprezentând greutatea proprie a elementelor învelitorii (tabla cutată + învelitoarea). În conformitate cu normele în vigoare, s-a introdus încărcarea de 0,20 kN/m2, compusă din greutatea echipamentelor tehnologice [1]. Încărcări utile au fost evaluate conform SR EN 1991-1-1 si au urmatoarele valori de calcul: 5 kN/mp pe căile de comunicaţii şi 6 kN/m2 pe tribune. Încărcarea verticală pe porţiunile de balustrade situate în raza de vizibilitate a spectatorului s-a majorat la 2,5 kN/m2. Încărcarea utilă orizontală se consideră distribuită pe aceeaşi suprafaţă pe care acţionează şi încărcarea verticală utilă, fără a se cumula cu încărcarea dată de vânt sau de cutremur [1].
Încărcarea din vânt a fost evaluata conform SR EN 1991-1-4. Pentru structura metalică s-au luat în calcul următoarele încărcări: 1,99 kN/m2 sucţiune în câmp şi 2,99 kN/m2 pe capatul consolei, 0,96 kN/m2 presiune în câmp pe consolă şi 1,55 kN/m2 pe capatul consolei, 0,66 kN/m2 sucţiune pe perete, 2,15 kN/m2 presiune pe perete [3]. Încărcarea din zăpadă a fost evaluata conform SR EN 1991-1-3. Încărcarea seismică a fost evaluata conform normativului P100-1/2006 pentru proiectarea antiseismică a construcţiilor, la clădirea proiectată acceleraţia terenului, pentru proiectare, este ag = 0,08g, pentru evenimente seismice având intervalul mediu de recurenta IMR = 100 de ani. Pentru construcţia proiectată TC = 0,7 s[4]. 4. Elemente cheie 4.1. Îmbinare stâlp monolit şi grinda prefabricată de susţinere a gradenelor
Elementele care se intersectează în această îmbinare sunt stâlpul monolit cu furcă la partea superioară şi o grindă prefabricată din beton armat înclinată cu partea superioară în formă de trepte având rolul de susţinere a gradenelor. Aceasta îmbinare este reprezentată în figura 6. Îmbinarea este prevazută cu un element metalic, respectiv un bolţ. Stâlpul monolit are dimensiunile de 80 x 80 cm, iar la vârf are formă de furcă. Grinda prefabricată are dimensiunile 50 x 65 cm, iar la nivelul îmbinării are un pinten pentru o transmitere bună a efortului de compresiune. Bolţul, alcătuit dintr-o ţeavă circulară de dimensiunile Φ219 10, are rolul de a prelua componenta orizontală a efortului din grinda prefabricată şi transmiţându-l prin intermediul furcii stâlpului de beton armat monolit. Bolţul a fost calculat la forfecare şi încovoiere. Furca a fost verificată, la rândul ei, la strivire, respectiv presiune pe pereţii găurii.
Figure 6. Imbinare stâlp monolit şi grinda prefabricată de sustinere a gradenelor 4.2. Îmbinare structură din beton armat cu structura metalică
Structura metalică se îmbină cu stâlpul din beton armat prin intermediul placuţelor metalice prinse cu buloane ancorate în beton şi pinteni pentru preluarea forţei taietoare de la nivelul nodului. În figura 7 se regăseşte o reprezentare grafică a îmbinării. Pentru o bună conlucrare a îmbinării s-au folosit şuruburi de înaltă rezistenţă. 4.3. Noduri metalice
La structura metalică sunt prezente două tipuri de imbinari. La nivelul tronsoanelor acestea sunt îmbinări cu şuruburi şi eclise, iar între elemntele unui tronson îmbinarile profilelor sunt proiectate cu sudura.
4.4. Tronsonarea structurii
Atât structura din beton armat cât şi cea metalică au fost tronsonate conform normelor în viguare. La tribune s-au prevazut trei rosturi de dilatare cu o grosime de 5 cm, iar peluzele au fost tronsonate doar într-un singur loc. Rostul în structura din beton armat a fost realizat prin introducerea a două cadre intermediare din beton armat, de o parte şi de alta a rostului, iar la structura metalică rostul s-a realizat prin eliberarea restricţiei de deplasare pe direcţia lungă a panei într-un capăt. 4.5. Concepţia de preluare a încărcării cu apa subterană
Radierul are grosimea de 25 cm şi a fost calculat şi executat cu prindere articulată de cuzineţii stâlpilor. Această articulaţie s-a realizat prin montarea unei grinzi de înălţimea radierului pe marginea acestuia, aceasta fiind prinsă de mustăţiile lăsate din cuzineţi şi din fundaţii. Pentru ca apa subterană să nu pătrundă în clădire, s-a prevăzut o hidroizolaţie sub acest radier. 4.6. Conceptul de conlucrare spatiala
Conlucrarea spatiala a structurii metalice s-a realizat prin intermediul unor grinzi transversale poziționate între ferme. În secțiune aceste grinzi au formă triunghiulară, fiind alcătuite din profile tip țeava si contravântuiri din bare. Aceste grinzi (contravântuiri) au rolul de a prelua acțiunile cu direcție perpendiculară pe ferme. Efectul de conlucrare spațială s-a evidențiat prin încărcarea structurii cu o forță la capătul liber al consolei (conform imagini următoare). Fiind o structură în care predomină elementele articulate în noduri s-a studiat efortul axial din bare. În aceeași figură se poate observa transmiterea eforturilor de la trama contravântuită la grinzile transversale, din zona de curbură, iar acestea ajungând in structura de beton armat prin intermediul îmbinărilor articulate. Fiecare element spațial care ajută la efectul de conlucrare spațială a fost evidențiat și studiat în parte, regăsindu-se și alături de trama studiată în cazul de față.
Figure 7 Scurgerea eforturilor
5. Elemente cheie 5.1. Indici arhitecturali
Indicii arhitecturali descriu, în tabele care urmează, ariile funcționale ale structurii pe fiecare nivel.
Subsol 2 Subsol 1 Parter (±0.00) Etaj 1 (+4.80) Etaj 2 (+8.94) Etaj 3 Etaj 4 Gradene Suprafata sportiva Invelitoare
arie nivel [mp] 13237 9966.7 13885.2
arie utila [mp] 12429.5 9830.3 10850 8271.3 4018.51 474.35 1038.69
14770 17308 24166
5.2. Indici de proiectare
Cantitatea totala de beton este de 36800 mc, iar cantitatea de otel este 3800 tone. Beton armat monolit 32700 [mc] Beton prefabricat 4100 [mc] Beton prefabricat in gradene 2221 [mc] Beton prefabricat in parapeti 141 [mc] Beton prefabricat in trepte 1308 [mc]
[mp]
Beton armat [mc]
Metal [kg]
Suprafata inele circulatie si anexe
46912.7
32700
0.69704
Gradene Total
14770 61682.7
4100 36800
0.27759 0.5966
3800000
[mc/mp]
[kg/mp]
61.6057
Cantitatea de oțel folosită pentru traveile metalice care fac parte din suprastructura construcției :
Ferme Travei Total
Peluza 1 [kg] 49726.4 55140.6 104867
Peluza 2 [kg] 49726.4 55140.6 104867
Tribuna 1 [kg] 235983.17 200628.79 436611.96 TOTAL
Învelitoare
Tribuna 2 [kg] 248176.97 218166.89 466343.86 1112689.8 24166 46.043608
5.3. Elemente din executie
Antemăsuratoarea pentru manevrarea maselor de pamant in situ :
Săpătura generală Săpătura fundații Nivelare teren Umpluturi fundații
[mc] 80200 9400 28800 20100
[kg] [mp] [kg/mp]
Antemăsuratoarea organizare de șantier : Sprijiniri cu schele Esafodaj Popi metalici Macarale turn Automacarale Piloti
45000 8000 12000 6 9 841
[mp] [ml] [buc] [buc] [buc] [ml]
REFERENCES 1. Petrina, M. și Socaciu, N. Proiect Tehnic Stadionul Municipal la Standarde Internaționale. ClujNapoca : s.n., 2010. 2. Structural Concepts of the Municipal Stadium from Cluj-Napoca. Petrina , M., și alții. Coimbra : s.n., 2009. 4th Concrete Future – Recent Advances in Concrete Technology & Concrete in Structures. 3. Conceptual Structural Solutions for the Resistance of the Stadium Roof. Socaciu, N., și alții. Debrecen : s.n., 2009. Building, Services, Mechanical and Building Industry Days. 4. Conceptia Structurii De Rezistenta A Stadionului Referitoare La Incarcarile Accidentale. Petrina, M., și alții. Oradea : s.n., 2010. Tehnologii moderne pentru mileniul III. 5. Probleme Privind Conceperea Structurilor de Rezistemță a Stadioanelor. Petrina, M., și alții. 2010. Construieste cu "STEEL". ISBN: 978-973-713-271-0. Analiză structurală și design pentru Stadionul Cluj Arena Rezumat . Această lucrare prezintă structura de rezistență și indicii economici la Stadionul Cluj Arena. Execuția a început în anul 2009 și s-a finalizat in octombrie 2011. Acesta are o capacitate de 30.000 locuri și un regim de înălțime de S+P+5E. Structura de rezistență este alcatuită din cadre de beton armat, iar pentru copertină s-a conceput o structură metalică în consolă. Primul capitol conține prezentarea detaliată a conceptului structural, urmand în capitolul doi să se descrie elementele particulare ale stadionului: îmbinari speciale, tronsonarea structurii, tabela de marcaj și structura de amplasare nocturnă. Indicii economici sunt detaliați ăn capitolul 3, aceasta conținând atât cantitățile de materiale folosite cât și elementele din executie.
