Особенности мониторинга технического состояния несущих конструкций стадиона «Лужники» при реконструкции

Введение

В данной статье приводится информация о методах усиления конструкций, возведенных с применением кирпича и камня, а также о проведенном мониторинге их деформативности при реконструкции БСА «Лужники». Основное внимание уделено методам, обеспечивающим сохранение фасадной стены стадиона, возведенной с применением керамических пустотных камней.

Решение о строительстве Большой спортивной арены и других объектов спортивного комплекса «Лужники» было принято за два года до Спартакиады народов СССР 1956 г. Несмотря на большую сложность при проектировании и строительстве, основные объекты были введены в эксплуатацию точно к намеченному сроку – Спартакиаде народов СССР 1956 года. На рис. 1 можно видеть, что в декабре 1955 года было завершено возведение нулевого цикла и каркаса трибун.

В дальнейшем реконструкция БСА проводилась примерно через каждые 20 лет: к Олимпиаде 1980 г., затем к финальному матчу последнего турнира за Кубок обладателей кубков УЕФА 1998–1999 гг.; (матч между Пармой и Марселем прошел 12 мая 1999 г. в Лужниках и закончился со счетом 3:0 в пользу Пармы).

Третья, наиболее масштабная реконструкция прошла в 2013–2017 годах и была приурочена к чемпионату мира по футболу 2018 года.

Необходимо отметить, что перед проведением последней реконструкции БСА многие специалисты высказывали мнение о необходимости сноса практически всех несущих и ограждающих конструкций, включая большепролетное светопрозрачное покрытие.

Что касается гребенки и каркаса трибун, то их демонтаж не вызывал сомнений, так как в течение почти 40 лет эти конструкции не были защищены от атмосферных осадков, которые способствовали коррозии металла и бетона. Такая ситуация при наличии динамических и даже огневых воздействий (рис. 2, 3), создаваемых болельщиками при проведении футбольных матчей и зрителями при проведении концертов рок-групп, приводила к значительному ухудшению технического состояния конструкций трибун.

Большая дискуссия разгорелась относительно целесообразности сноса покрытия и фасадной стены, которая была возведена с использованием кладки из керамического камня с внутренним металлическим каркасом.

О работах по научно-техническому сопровождению, проектированию, монтажу и реконструкции большепролетного светопрозрачного покрытия БСА подробно изложено в статьях И.И. Ведякова и М.И. Фарфеля [1][2].

В данной публикации изложена информация о конструкции стены, проведенных расчетах ее устойчивости и деформативности при различных вариантах сохранения колонн и ригелей (1 или 2 пролета). Описаны также этапы и характер работ по мониторингу технического состояния фасадной стены при демонтаже трибун.

Конструкция фасадной стены БСА и мероприятия по ее сохранению при демонтаже трибун

Фундамент фасадной стены по оси 10 – железобетонные рандбалки с опиранием на столбчатые фундаменты. Столбчатые фундаменты колонн монолитные, опираются на сборную фундаментную плиту. Столбчатые и нижние фундаментные плиты выполнены из монолитного железобетона. Глубина заложения столбчатых фундаментов наружных стен и фундаментов внутренних стен, несущих колонн от пола цокольного этажа: 2,370–2,75 м; в технических помещениях: 3,55–3,95 м. Разрез и фрагмент фасада наружной стены показаны на рис. 4 и 5.

Глубина залегания фундаментных балок наружных стен – 2,90 м; в технических помещениях – от 3,05 до 3,40 м.

Основной несущий каркас фасадной стены – стальные крестообразные колонны и ригели.

Крестообразные колонны (сварные) выполнены из листовой стали толщиной 18–20 мм, сечение – 200 × 200 × 18 мм и 240 × 240 × 20 мм (рис. 4, 5), ригели, установленные в четырех уровнях между колоннами, состоят из двух двутавров № 30.

Кладка наружной фасадной стены, выполненная из керамического семищелевого камня на цементно-песчаном растворе, является ненесущей конструкцией (заполнение плоского стального рамного каркаса). Облицовка выполнена из камней типа «фелзит» толщиной 100 мм. При ремонте лицевого слоя использовался пескобетон с декоративной отделкой «под камень». Толщина наружных стен переменная – от 680 до 700 мм с учетом слоя облицовки. Марка кирпича М75, марка раствора М50. Расчетное сопротивление кладки наружных стен сжатию в соответствии с СП 15.13330 «СНиП П-22-81^* Каменные и армокаменные конструкции» [3], R_сж = 1,2–1,3 МПа (12,0–13,0 кгс/см²). С учетом длительной эксплуатации прочность кладки при сжатии R_сж = 1,5 МПа (15,0 кгс/см²).

Цокольная часть наружных стен высотой 2,35–2,45 м облицована натуральными базальтовыми камнями толщиной 120 мм. В наружной фасадной стене встроены стальные колонны каркаса из парных уголков: на первом этаже – 2L № 240 × 240 × 20 мм, на верхних этажах – 2L № 200 × 200 × 18 мм. Сварные стальные колонны совместно с ригелями из двух двутавров № 30 установлены в кольцевом направлении по оси фасадной стены и образуют плоский рамный каркас.

Разрез и фасад наружной стены представлены на рис. 4 и 5.

Для обеспечения надежности фасадной стены БСА и исключения ее отклонения и разрушения при демонтаже был проведен расчет каркаса трибун на стадии его демонтажа и расчет устойчивости стен с учетом раскрепления каркаса стальными связями из прокатных профилей.

При проведении расчета рассматривался участок стены на первом этапе демонтажа трибун, состоящий из 6 или 9 секций пролетами по 6 метров.

В качестве основных силовых факторов, оказывающих наиболее интенсивные воздействия на деформации фасадной стены, рассматривалась возможность аномальных ветровых воздействий, имевших место в Москве и МО.

Проведенные расчеты показали, что ветровая нагрузка на систему «фасадная стена + 1 пролет каркаса трибун» приводит к увеличению растягивающих и сжимающих напряжений в несущих элементах не более чем на 5–7 % по сравнению с системой «фасадная стена + 2 пролета каркаса трибун».

На рис. 6 показан общий вид расчетной схемы «фасадная стена + 2 пролета каркаса трибун» с усиленными диагональными стальными связями при расчете перемещений от постоянных и длительных действующих нагрузок.

На рис. 7 показана первая расчетная форма колебаний фрагмента системы «стена + 2 пролета каркаса трибун» от действий ветровых нагрузок.

На основании выполненных расчетов было принято решение о сохранении только одного пролета каркаса трибун, примыкающего к фасадной стене.

Такое решение обеспечило более высокие темпы производства работ по демонтажу металлического каркаса и железобетонной гребенки трибун. При этом были существенно снижены трудозатраты за счет применения механизации при демонтаже участка трибун в осях 12–14.

На рис. 8а (фото) показан фрагмент системы «фасадная стена + 1 пролет каркаса трибун» в осях 10–12. В соответствии с приведенным расчетом каркас усилен диагональными связями в радиальном и кольцевом направлениях.

Мониторинг технического состояния и деформаций фасадной стены при производстве работ по реконструкции БСА

Проведение наблюдений с точной регистрацией деформаций несущих конструкций сооружений, которая позволяет сделать оценку изменения напряжений в конструктивных элементах в условиях производства работ по демонтажу строительных конструкций, – достаточно сложная задача.

Строительные конструкции, на которых устанавливаются измерительные приборы при демонтажных работах, подвергаются интенсивным динамическим и механическим воздействиям. Кроме того, часть приборов и оснастки повреждается при производстве работ (рис. 9).

В связи с этим при выборе методики и средств для измерений деформаций и напряженного состояния в конструктивных элементах системы «фасадная стена + усиленный диагональными связями каркас трибун» были выбраны наиболее дешевые и надежные средства измерений.

Деформации (для определения напряжения) в основных конструктивных элементах и элементах усиления в наиболее ответственных узлах, стальных колоннах и диагональных связях усиления и сохраняемых конструкциях измерялись с помощью разработанных в ЦНИИСК им. В.А. Кучеренко механических тензометров (деформометров) ТМИ-500М, включающих использование индикаторов часового типа ИЧ-10 (рис. 10).

Измерения температур для определения температурных поправок проводились электронным контактным термометром ТК5-01П отечественного производства.

Для определения напряженного состояния покрытия деформометры (тензометры) были установлены на следующих конструктивных элементах:

• на стойках, выполненных из 2L 140 × 12 высотой 6 м (деформометры были установлены на третьем этаже в осях 120/12; 218/12; 144/12; 242/12; 322/12; 342/12; 420/12);
• на диагональных связях из 2L 125 × 8 (деформометры установлены на третьем этаже в осях 120/12; 218/12; 144/12; 242/12; 322/12; 342/12; 420/12);
• на диагональных связях из 2L 1405 × 12 (деформометры установлены на втором этаже в осях 110; 210; 410).

Определение деформаций позволяет вычислить величины напряжений в зоне установки приборов.

Измерения деформаций проводились с учетом температурных поправок, которые вводятся для того, чтобы изменения температуры конструкции не оказывали влияния на длину штанги базы деформометра и контрольного калибра прибора.

Для определения деформаций и отклонения фасадной стены были установлены маяки и деформометры в зоне сопряжения с поперечными стенами в радиальном направлении, а также на имеющихся трещинах (рис. 11).

Результаты геодезических наблюдений за деформациями фасадной стены БСА «Лужники» показали, что за период март – июнь 2014 г. зафиксированы отклонения стены до 16 мм на отметке 143 (ось 454/10).

Максимальные показания деформометров составили 0,9–1,0 мм.

Наиболее напряженная ситуация при проведении мониторинга за деформациями фасадной стены возникла в июле 2014 года. Максимальные отклонения стен в этот период составляли 27 мм.

Основными причинами увеличения деформации фасадной стены были работы по подготовке основания под фундаментную плиту, а также температурные деформации. В результате проведенных работ существующие фундаменты оказались с внутренней стороны не заглублены в грунт. Это привело к разуплотнению грунта и крену фасадной стены.

Были приняты срочные меры по бетонированию фундаментной плиты в этой зоне. Бетонирование плиты основания по рекомендациям института выполнено захватками длиной не более 18 м. Бетонирование соседних захваток выполнялось не ранее чем через 4 дня. Одновременное бетонирование захваток допускалось с разрывом не менее чем через 72 м.

Выводы

Третья, наиболее масштабная реконструкция Большой спортивной арены олимпийского комплекса «Лужники» была завершена в 2017 году. На арене были проведены матчи восьмого и последнего турнира Кубка конфедерации среди национальных сборных под эгидой ФИФА. Турнир подтвердил полную готовность БСА к проведению главных матчей чемпионата мира 2018 г.

Научно-техническое сопровождение проектирования и реконструкции арены обеспечило решение самых сложных задач, возникавших в процессе проведения строительно-монтажных работ. Принципы реконструкции арены большой вместимости могут быть использованы при реконструкции других объектов.