Olympiastadionin uusien katsomokatosten teräsrakenteet

Teräsrakenteiden suunnittelusta

09.10.2018

Olympiastadionin perusparannuksen ja laajennuksen yhteydessä kaarteiden katsomot katetaan. Kohde on luonnollisesti ainutlaatuinen ja rakennesuunnittelutehtävä on ollut alan ammattilaisille poikeuksellisen haastava mutta äärimmäisen mielenkiintoinen. Kohteen suunnittelu on vaatinut onnistuakseen luonnollisesti erittäin hyvän ja monipuolisesti kokemusta osaavan työryhmän.  

Kuva 1: Olympiastadionin uusien katsomokatosten teräsrakenteita.

 

Katosten teräsrunko

Uusien katsomokatosten teräsrunko rajautuu vuonna 2005 valmistuneen itäkatsomon katoksen ja alkuperäisen pääkatsomon katoksen väliselle alueelle. Pääkatsomon ja kaarrekatosten väliin on jätetty kattamaton alue lähinnä arkkitehtonisista syistä johtuen. Pohjoiskaarteen katospinta ala on hieman suurempi kuin eteläkaarteessa. Teräsrakenteisten katosten pinta-ala on yhteensä n. 16 000 m2. Kaarteiden katokset on erotettu liikuntasaumoilla itäkatoksesta, lisäksi kaarrekatosten keskivaiheilla on liikuntasaumat. Kaikki liikuntasaumat on rakennettu katosrakennetilaan, jolloin katsojien näköesteinä toimivien pilareiden määrä on saatu mahdollisimman pieneksi.

Katosten runko on pilari-ristikkorakenteinen ja se on jäykistetty ristikoimalla katos ylä- ja alapinnastaan. Katoksen pääpilarit sijaitsevat katsomossa ja ne ovat rakenteeltaan pyöreitä teräs-betoni-liittopilareita. Pilareiden ulkohalkaisija on 610 mm.

Pilarit liittyvät rakennelaakerin välityksellä alapuoliseen vahvistettuun tai uuteen teräsbetonipilariin. Erikoisvalmisteisella rakennelaakerilla saatiin toteutettua nivelellinen liitos, joka toimii niin veto- kuin puristuskuormituksessakin. Nivelellisellä liitoksella vältyttiin alapuolista rakennetta kasvattavilta suurilta taivutusmomenteilta. Pilarin yläpää on myös nivelellisesti käyttäytyvä ja se on aikaansaatu teräsrakenteisen laakerin avulla.

Katosrakenne on ulkoreunaltaan liitetty linjaristikon osana olevan pyöreän pilarin, jonka ulkohalkaisija on 324 mm, välityksellä uusiin teräsbetonipilareihin, jotka jatkuvat vahvistettujen vanhojen teräsbetonikehien linjassa ylöspäin. Näissäkin liitoksissa käytettiin erikoisvalmisteisia rakennelaakereita liitoksen nivelellisen toiminnan ja haluttujen vapausasteiden saavuttamiseksi. Osa rakennelaakereista sallii kaiken liikkeen vaakasuunnassa ja osa vain yhdessä pääsuunnassa. Tähän ratkaisuun päädyttiin sen takia, että toiminnallisista ja rakennussuojelullisista syistä alapuolisia rakenteita pystyttiin vahvistamaan valinnaisissa paikoissa, jolloin katoksesta tulevat vaakavoimat saatiin ohjattua haluttuihin paikkoihin. Rakennelaakereiden käyttö oli myös ratkaisu lämpöliikkeiden hallitsemiseksi. Pilareiden lisäksi rakennelaakereita on käytetty myös katoksen sisällä liikuntasaumoissa.

Katsomopilareiden yläpuolella sijaitsevat katoksen pääristikot, jotka ovat katoksen matalimmissa rakennekorkeuksissa avaruusristikoita ja muualla kaartuvia tasoristikoita. Pääristikko on jatkuva rakenne aina liikuntasaumojen välillä. Pääristikoihin tukeutuvat säteittäisesti linjaristikot, jotka muodostavat katoksen ulokerakenteen ja tasapainottavan takaosan. Linjaristikot ovat takaosastaan kiinni ulkoreunan betonirakenteessa rakennelaakerin välityksellä. Ristikoiden paarteet koostuvat kaarevaan muotoon taivutetuista I-profiileista, jotka ovat joko valssaamalla tai hitsaamalla valmistettuja. Paarteiden taivuttamisen osalta yhtenä haasteena on ollut, että taivutuksen kaarevuussäde ei ole vakio. Pääristikot on tehty murtoviivaisena kaarevaan muotoon. Ulokeosalla linjaristikoiden välissä on käytetty poikittaisia väliristikoita jakamaan rakenteen rasituksia tasaisemmin.

Ristikoiden uumasauvat ja jäykistyssiteet ovat joko rakenneputkea, hitsattua koteloprofiilia tai I-profiilia. Ristikoissa on myös levyrakenteisia osia, erityisesti niiden kärki- ja takaosassa sekä kohdissa joissa kuormitukset ovat paikallisesti suuria ja rakennekorkeudet matalia. Katosulokkeen otsapinta on suurimmassa osassa katosta hyvin matala, n. 250 mm pintarakenteineen arkkitehtonisista syistä johtuen ja tämä onnistuttiin toteuttamaan erityisellä kärkielementtirakenteella, jossa linjaristikkoihin hieman taaempana kiinnitettyyn poikittaiseen kotelopalkkiin hitsattiin levyrakenteiset ulokepalkit. Erityisesti päätyulokkeen alue oli kokonaisuutena katosrakenteen suurimpia rakenteellisia haasteita, jotta rakenteen jäykkyys käyttörajatilatarkasteluiden perusteella saatiin riittäväksi.

Teräsrakenteisiin on tehty myös aukkoja ja putkituksia talotekniikan läpivientien mahdollistamiseksi kohdissa, joissa rakennekorkeus on pieni tai tilaa muuten vähän.

Rakenteissa on käytetty pääsääntöisesti lujuusluokan S355 terästä, koska katosrakenteen jäykkyyden ollessa määräävässä asemassa käyttörajatilamitoituksen (siirtymät, värähtely) kriteerien vuoksi korkeamman lujuusluokan teräksellä ei olisi saavutettu oleellista hyötyä. Kohteen toteutusluokaksi valittiin EXC 3.

 

Kuva 2: Swecon Juha Kukkonen on vastuussa Olympiastadionin katosten teräsrakenteiden suunnittelusta. Katosrakenne on geometrisesti haastava, mikä tietysti vaikutti teräsrakenteisiin ja vaati huolellista ja tarkkaa laskentaa mm. tuulikuormien osalta, Kukkonen toteaa.

 

Tuulikuormat

Tuulikuormat määritettiin tuulitunnelikokeiden kautta kuten aikanaan itäkatoksen osalla, tämän osalta onneksi itäkatoksen tarkasteluja varten tehty pienoismalli oli laboratoriossa vielä tallella. Tuulitunnelikokeet suoritettiin Otaniemen tuulilaboratoriossa tässä asiassa alikonsulttina toimineen WSP Finland Oy:n toimesta. Tuulikuormiin liittyvissä tarkasteluissa hyödynnettiin myös virtauslaskentaa (CFD), joka suoritettiin Swecon omana työnä. Kaarrekatosten kattaminen muuttaa Olympiastadionin tuuliolosuhteita, joten aikaisemman tuulitunnelikokeen tulokset eivät olleet hyödynnettävissä. Esimerkiksi itäkatokseen muodostui kokeiden perusteella suurempia nostavia rasituksia kuin aikaisemmin ja ankkurointeja tämän johdosta vahvistettiin. Tuulikuormista aiheutuva noste voi olla jopa niin suuri, että huolimatta katosrakenteen suuresta omasta painosta myös pääpilarit ankkuroitiin nostavia voimia vastaan.

Olympiastadionin tuulikuormat määritettiin 30 asteen välein suunnittain, jolloin muodostui 12 erilaista kuormitussuuntaa ja laskentamalliin suuri määrä kuormitusyhdistelmiä, kun otetaan huomioon jokaisella suunnalla paine- ja imutapaus.

Katoksen poikkileikkaus muistuttaa lentokoneen siipeä ja se on rakenteeltaan varsin hoikka. Tämä altistaa katosrakenteen värähtelylle tuulikuormituksessa ja tämä otettiin myös huomioon tuulikuormien määrittämisessä. Katoksen värähtely taas puolestaan aiheuttaa rakenteille dynaamisen kuormituksen, joka otettiin huomioon teräsrakenteiden suunnittelussa, erityisesti liitosten osalta. Liitosten detaljit tutkittiin tarkasti laskennallisesti ja varmennettiin muotoiluilla tarvittavilta osin siten, että väsymisestä ei ole rakenteelle haittaa. Tavanomaisissa talorakenteissa tuulesta ei yleensä aiheudu sellaista dynaamista kuormitusta, joka täytyisi ottaa huomioon.

Liitokset

Työmaalla tehtävät teräsrakenteiden liitokset ovat pääsääntöisesti ruuviliitoksia. Kaarrekatoksissa käytetyt liitokset ovat kitkaliitoksia (eurokoodin ruuviliitosten luokat B ja C), jolloin liitosten ruuvit ovat esijännitettyjä ja vastaavasti liitospinnat käsitelty kitkapinnan luokkiin A ja B tietyn kitkakertoimen saavuttamiseksi. Lisäksi on käytetty luokan E (esijännitetty, vedetty) ruuviliitoksia. Ruuveina käytettiin pääsääntöisesti HV-järjestelmän ruuvikokoonpanoja, joiden lujuusluokka on 10.9 ja suurin käytetty ruuvikoko on M36.

Pääristikoiden jatkoksissa käytetään työmaalla tehtäviä hitsausliitoksia, koska kuljetuspituuksien ja -painojen takia ristikot jaettiin osiin ja toisaalta yhtenäisen jatkuvan ristikon nostaminen ei olisi ollut mahdollista. Hitsausliitosten luokka on B.

Liitosten mitoituksessa on ollut tarvetta käyttää varsin poikkeuksellisessa laajuudessa monipuolisesti erilaisia FEM-ohjelmistoja, koska liitosten mitoitusta ei ole voinut täysin perinteisin laskentamenetelmin todentaa monimutkaisissa liitosgeometrioissa.

Kuva 3: Leikkauskuva stadionin katoksesta.

 

Asennusjärjestys

Olympiastadionin perusparannuksen ja laajennuksen monet muut työvaiheet ovat samanaikaisesti meneillään katosrakenteiden asennuksen kanssa, mikä vaikuttaa omalta osaltaan myös teräsrakenteiden asennuksen järjestelyihin. Asennus ajoittuu myös vuodenaikojen puolesta kesähelteistä talvipakkasiin, jolla on myös oma vaikutuksensa rakenteiden asentamiseen.

Asennusjärjestys on hankkeessa suunniteltu rakennesuunnittelijan toimesta normaalia kohdetta tarkemmin erityisesti katosrakenteen todella vaativan asennusaikaisen stabiliteetin vuoksi. Asennusjärjestyksen suunnittelu on tehty yhteistyössä Swecon, Skanskan ja JPV-Engineering Oy:n kanssa.

Nivelelliset ja erilaisin liikevapauksin varustetut pilareiden laakeriliitokset, rakenteiden jatkuvuuden toiminnan varmistaminen, ristikoiden työmaajatkokset ja ristikoiden taipumien rajoittaminen pysyvistä kuormista ovat lisäksi edellyttäneet asennusaikaisia tuentoja.

Kaarevan, tasomaisen pääristikon asennusaikaisen stabiliteetin varmistaminen on ollut yksi keskeisimpiä haasteita, kun otetaan ristikon mittasuhteet ja katoksen takaosan linjaristikoiden laakeriliitosten erilaiset vapausasteet huomioon. Pääristikkoa on kannatettu noston jälkeen asennusaikaisesti nostureilla, kunnes riittävä määrä takaosan tukevia rakenteita on saatu asennettua paikalleen.

Asentamisessa on hyödynnetty mahdollisuuksien mukaan myös useampien ristikoiden yhdistämistä lohkoiksi, erityisesti kentän puoleisilla linjaristikoilla.

Vaikka asennusjärjestyksen periaate on samantyyppinen pilariväleittäin, on jokainen lohko juuri edellä mainittujen muuttuvien seikkojen johdosta erilainen ja asennusjärjestys suunniteltava stabiliteetin kannalta lohkoittain erikseen.

Kuva 4: Stadion katosten mittasuhteita.

 

Rakennesuunnitelmien ulkopuolinen tarkastus

Johtuen kohteen luonteesta, oli kaikille osapuolille alusta lähtien selvää, että rakennesuunnitelmille laaditaan kolmannen osapuolen tarkastus. Rakennesuunnitelmien ulkopuolisena tarkastajana toimii A-Insinöörit Suunnittelu Oy. Heillä oli myös aikaisempaa kokemusta toimimisesta itäkatoksen teräsrakenteiden suunnittelijana.

Rakennesuunnitelmien tarkastusprosessi käynnistettiin jo suunnittelun alkuvaiheissa, jolloin käytiin erityisesti suunnitteluperusteet ja rakenteiden perusratkaisut läpi. Tarkastus on edennyt suunnittelun kanssa samanaikaisesti, jolloin asiat on voitu käydä läpi oikea-aikaisesti, mikä on koko hankkeen etenemisen kannalta tärkeää.

Juha Kukkonen, osastopäällikkö

Sweco Rakennetekniikka Oy

 

Teksti: Teräsrakenne-lehti 3/2018

Valokuvakuvat: Arto Rautio

Rakennesuunnittelukuvat: Sweco Rakennetekniikka Oy

 

 

 

 

 

 

 

Kuva 4: Kaarteen uuden katoksen runkoa Swecon Tekla-mallista nähtynä.

 

 

 

Kuva 6: Kuva Olympiastadionin katsomon teräsrakenteen kokoonpanosta.

 

Valokuvat: Arto Rautio, rakennesuunnittelukuvat: Sweco Rakennetekniikka Oy