ТРИЗ-fest 2010 Многофункциональный стадион. Что нам дал методический подход при его разработке


 
Нониашвили Алексей -Руководитель научно-инженерного центра «AINtrees»
Любой современный стадион согласно Европейским стандартам должен быть оснащен футбольным полем с естественным газоном. Данное покрытие требует специального обслуживания и характера эксплуатации. Поэтому эти поля оснащены целым рядом систем (обогрева, подпитки, полива) и используются только по прямому назначению, а именно для проведения ответственных футбольных матчей, а в остальное время площадь, занятая стадионом вместе с его инфраструктурой остается незадействованной в полной мере. Для того чтобы сохранить поле в надлежащем состоянии, его защищают от механических повреждений. Между тем, существует несколько возможностей использования стадиона в периоды времени, когда на нем не проводятся футбольные матчи: каток, выставки, концерты с возможностью расположения сцены и части зрительных мест на поле, картинг, новогодние ёлки, автомобильные и мото шоу
Все условия для проведения этих мероприятий на стадионе есть. Но восстановление естественного газона после таких мероприятий было бы очень затратным по времени и вложенным средствам делом.
Перед нами была поставлена задача: повысить рентабельность стадиона, путем создания возможности проведения перечисленных выше мероприятий, без повреждения естественного газона.
Надо отметить, что до нас эта задача уже решалась в ряде стран. Так в 20 веке было построено 4 стадиона с выездным полем. Покрытие для поля стадиона размещено в специальном поддоне, который с помощью колесно-рельсовой системы перемещается за пределы стадиона, освобождая место под проведение массовых мероприятий.
К недостаткам указанного решения следует отнести то, что для изменения покрытия поля стадиона необходимо перемещать чрезвычайно тяжелые и большие поддоны с покрытием, с чем связано использование сложной и дорогостоящей колесно-рельсовой системы с собственной системой управления. Существенным ограничением использования описанного изобретения является сложность его использования на уже построенных стадионах, так как для установки описанной выше системы потребуется их серьезная реконструкция.
Еще одним недостатком такого решения является необходимость закладывать при строительстве дополнительного места, площадью с игровое поле.
Нами было предложен другой вариант решения, который может реализовываться как при строительстве новых стадионов, так и на уже построенных стадионах без серьезной их реконструкции.
Мы решили не перемещать все поле, а разработать покрытие, защищающее естественный газон от механических нагрузок при проведении массовых мероприятий. В нашем случае это означает, что наше покрытие должно не касаться самого поля. А опоры должны находится вне игрового поля. У любого футбольного поля есть по периметру дорожки, которые не являются игровыми и потому покрытые не естественным газоном, а искусственным. Для нас эти дорожки, шириной в 4-6 метров и были основным ресурсом для размещения опорных элементов.
Кроме того, так как мы ориентировались не только на строительство новых многофункциональных стадионов, но и на модернизацию построенных стадионов, нам важно было каким-то образом данное покрытие монтировать и демонтировать и при этом так же не касаться площади с естественным газоном. При этом наш помост должен был перекрывать площадь 70 на 110 м. Вот такой широкий сборно-разборный мост. Но при строительстве мостов нет ограничений по высоте и используются тросовые системы с большой стрелой прогиба. В нашем случае, высота помоста и всех элементов конструкции не должны были превышать 3 -3.5 метров, в противном случае мы бы потеряли много зрительских мест на трибунах. Еще одним потребительским свойством была скорость монтажа и демонтажа помоста. Мы ориентировались на срок монтажа – до 36 часов ,столько же на демонтаж.
Доопределив описание проблемной ситуации данными о предельных нагрузках и прогибах помоста при них, мы смогли переформулировать исходную ситуацию в вполне определенную техническую задачу и приступить к поиску концепций.
После первых же прочностных расчетов стало ясно, что монтаж и демонтаж конструкции не сделать без специального подъемно-транспортного оборудования, и тем более не сделать в ручную. Нет пространственных ресурсов для этого и простой просчет времен основных операций при монтаже показал, что в заложенный в ТЗ срок монтажа/демонтажа не уложиться. Поэтому нами была поставлена цель, создать комплекс с технологией монтажа/демонтажа с минимальным количеством требуемого для этого персонала.
В начале у нас было несколько различных концепций, найденных с учетом анализа достижений в области однопролетных перекрытий. Первая воздухоопорная. При такой площади перекрытия требовалось создавать и поддерживать небольшое избыточное давление. Вторая – набор высоких пространственных ферм. Третья – набор преднапряженных пространственных  ферм. Первая конструкция имела очень низкую надежность вследствие большой длины шва. Вторая конструкция не имела горизонтальной плоскости при монтаже и потому, были трудности в заливке льда для катка.
Из трех концепций была выбрана третья концепция. В каждой ферме с помощью специальных тросов и регулируемых анкеров сжимался нижний пояс. Таким образом, устранялся прогиб от постоянной нагрузки (собственный вес ферм, вес катка и т.д.).
Надо отметить, что нами была разработана и комбинированная конструкция. Слишком много плюсов было у воздухоопорной конструкции. Но решили на первом объекте реализовать более простой вариант и отработать несколько решений, а затем переходить на комбинированный вариант.
Итак, мы имели набор преднапряженных ферм, причем нагрузка передаваяемая на опоры и на дорожки безопасности были равны лишь весу самой фермы. Это позволило не закладывать массивного фундамента в основание поля. Такие безфундаментные конструкции могут использоваться как временные перекрытия не только на стадионе, но и для перекрытия парков, озер и других объектов. Регулируемый анкер позволяет добиться горизонтальности площадки при любых заранее известных постоянных нагрузках (но не больше предельных). По-нашему мнению, это открывает новое направление по проведению массовых мероприятий в местах, где раньше это было невозможно
 
Рисунок 2. Общий вид помоста с откидными участками ферм.
 
На рисунке 2 показан общий план как выглядит помост в частично собранном состоянии. Все конструкции показаны условно. Фермы перемещаются с помощью специальных тележек с поворотным и подъемным столом, для того, чтобы захватывать фермы и опускать их на место. Поворотный стол нужен для того, чтобы менять направление движения фермы на угол 90 градусов на месте. Необходимо было осуществлять поворот фермы, на месте. ,т.к. пространства для поворота фермы по дуге не было. Мы задались вопросом ,а в каких еще областях необходимо перемещать достаточно длинные конструкции при ограниченном пространстве. Лидирующей областью оказалась военная техника (а именно перевозка ракет). Решение заключается в использовании упорно-поворотных дисков (см. рис 3). Тележка стоит на рельсах, и поворачивается вместе с небольшим участком рельсовых дорожек на 90 градусов при неподвижной ферме.
Рисунок 3. Поворотное устройство для смены направления движения на месте
 
При проектировании помоста остро стоял вопрос об увеличении вместимости помоста (площади помоста). Для этого можно было увеличивать расстояние между опорами, делая фермы длиннее, а сами опоры, ставя ближе к трибунам. Но тогда увеличивались нагрузки на ферму, прогибы от нее. Решили оставить опору как можно ближе к границе поля, но ферму продолжили за пределы опоры. Таким образом, мы увеличили полезную площадь помоста, но тем самым мы и увеличили размер здания под складирование, а это плохо. На лицо физическое противоречие: Ферма должна выступать за опору, для того чтобы увеличить вместимость на помосте, и ферма не должна выступать за опору, чтобы помост был компактным. Определив, оперативное время двух состояний выпирающей и не выпирающей фермы, мы увидели, что данные времена разделены. Выступающая ферма за опору нужна во время использования помоста, а не выступающая ферма нужна во время складирования. Применив прием динамизации, мы разрешили данное физическое противоречие. Реализацию решения так же можно увидеть на рис 2. (выступающая часть откидывается при использовании помоста и складывается во время складирования).
При разработке такого сложного объекта мы постоянно сталкивались с большим количеством вторичных задач. Об одной из таких неожиданных задач я и расскажу здесь.
Несмотря на то, что мы использовали современную высокоточную технологию сварки при изготовлении ферм и современные регулируемые анкера для преднапряжения ферм, мы столкнулись с тем, что все это не гарантирует нам, того, что высота ферм будет одинаковой и тем более на всей длине фермы. А нам было необходимо не просто стыковать фермы, но и скреплять с друг другом. С учетом разных высот создание гладкой горизонтальной поверхности помоста теперь, разбивалось на две операции:
- подъем одной из ферм до уровня другой или взаимное перемещение ферм до тех пор, пока они не окажутся на одинаковой высоте
 -закрепление ферм в достигнутом положении.
Вариантов постановки задачи было много: решать их по-отдельности и разными средствами. Решение было найдено после того как был сформулирован ИКР:
Соединительное устройство само выполняет указанные выше операции. Применив прием: перейти от прямолинейных форм на неоднородные формы, мы нашли соединительное устройство, отвечающее ИКР. Таким стыковочным устройством оказалось коническое соединение с гайкой (рис.4). Небольшой угол позволил создать необходимую вертикально направленную силу, чтобы приподнять ферму и состыковать их нужным образом. При этом не требовалось тратить время на одну лишнюю операцию.
 
Рисунок 4. Соединительное устройство для ферм.
Вот таким образом и создавался многофункциональный стадион. В процессе работы было решено огромное количество задачразного уровня сложности и масштабности. Хочется отметить, что методический подход к разработке, позволил не только добиться эффективных решений, но и сэкономить много времени при разработке. Благодаря методическому подходу, нам удавалось прогнозировать сроки окончания проекта и уровень реализации потребительских свойств изделия.
На многофункциональный стадион получен патент на полезную модель в России и подана международная PCT заявка на изобретение.Ведутся переговоры с возможными заказчиками.

Алфавитный указатель: 

Рубрики: 

Subscribe to Comments for "ТРИЗ-fest 2010 Многофункциональный стадион. Что нам дал методический подход при его разработке"