Опыт эксплуатации сборных деревянных арок с жесткими стыками теннисного центра

В 2025 г. завершены комплексные обследования и устранены дефекты конструкций теннисного центра на 10 кортов в Сокольниках, по адресу: г. Москва, Майский просек, д. 7. Работа проводилась сотрудниками лаборатории несущих деревянных конструкций ЦНИИСК.

Цель обследования состояла в определении состояния несущих конструкций каркаса после 5 лет эксплуатации, в выявлении и устранении дефектов.

Двухпролетное в плане сооружение размером 39,07 × 180 м на 10 кортов и примыкающий к нему двухэтажный административно-бытовой корпус (АБК) 9,4 × 115 м перекрыты арочными конструкциями эллипсообразного очертания. Корты расположены в поперечном направлении. На первом этаже АБК расположены тренажерные залы, санузлы, вестибюль и раздевалки, на втором этаже – тренерские, кафе, медицинские и другие вспомогательные помещения.

Покрытие над кортами устроено из многокамерных панелей поликарбоната толщиной 40 мм, покрытие над АБК – совмещенное в уровне с прогонами и кровлей из поликарбоната толщиной 25 мм.

Проект деревянных конструкций, расчеты и деталировочные чертежи выполнены ООО «ЦНИПС ЛДК» (А. А. Погорельцевым, И. А. Кондрашевым, В. О. Стояновым) в 2019 г. Клееные деревянные конструкции каркаса теннисного центра изготовлены и смонтированы предприятием ДСК «Стройконструкция» в г. Королеве. Объект сдан в эксплуатацию в 2020 г.

Конструктивная схема здания

Основными несущими конструкциями являются арки, установленные с шагом 5 м. Корты перекрыты двухшарнирными арками пролетом 39,07 м, состоящими по длине из трех клееных блоков сечением 2 (140 × 1170), соединенных между собой жесткими стыками системы ЦНИИСК [1]. Распор арок воспринимается стержневыми затяжками в толще пола. Такие конструкции в практике строительства применены впервые, поэтому обобщение опыта эксплуатации двухшарнирных большепролетных сборных арок представляет особый интерес. Арки покрытия АБК – сборные трехшарнирные с передачей распора на фундаменты, на отметке +0,3, и арки кортов, на отметке +3,2. Эти арки малого радиуса, несимметричного очертания склеены из ламелей толщиной 16 мм. Внешние полуарки сечением 140 × 630 мм, внутренние – 2 (140 × 630 мм). На внутренние полуарки и на арки кортов опираются балки, вогнутые по форме крыши, сечением 2 (140 × 630 мм). Балки перекрывают пространство между арками кортов и АБК. Арки АБК разделены перекрытием на 2 этажа.

По торцам кортов устроены фахверки в виде клееных стоек сечением 180 × 630 мм с шагом 4 м и ригелей через 3 м по высоте, объединенные сверху сборной гнутоклееной конструкцией по форме и сечению аналогичной основным аркам. К стойкам фахверков с наружной стороны присоединен металлический каркас и сплошное остекление из стеклопакетов.

На черепные бруски арок кортов в одном уровне с шагом около 1,5 м опираются разрезные прогоны сечением 140 × 420 мм, по которым уложено покрытие из прозрачных панелей многокамерного поликарбоната толщиной 40 мм. К прогонам панели закреплены внизу саморезами и по длине специальными кляммерами. Над помещениями АБК устроено совмещенное многослойное покрытие между прогонами, которые с шагом 650 мм опираются этажно на арки. Кровля над покрытием выполнена из панелей поликарбоната толщиной 25 мм и длиной до 25 м, закрепленного к нижним прогонам саморезами, по пролету – кляммерами, позволяющими температурные деформации до 15 см.

Пространственная жесткость каркаса всего сооружения обеспечивается связевыми блоками через 30 м. Связи выполнены крестовыми из стальных гладких стержней Ø 20 мм и деревянных распорок между парами арок.

Общий вид теннисного корта представлен на рис. 1.

Особенности конструкций каркаса

Интерес представляют сборные большепролетные двухшарнирные арки каркаса. Двухшарнирная схема арок обеспечивает более равномерное распределение усилий и более рациональное распределение материала по пролету в сравнении с трехшарнирной схемой. При больших пролетах особое значение имеет сборность конструкции по длине, состоящей из элементов, удобных в изготовлении и транспортировке. Последнее имеет особенную актуальность для России, поскольку основные предприятия по производству клееных конструкций находятся в европейской части. Проблема сборных большепролетных конструкций была решена благодаря разработке и исследованиям в ЦНИИСК конструкции жестких стыков на наклонно вклеенных стержнях (система ЦНИИСК) [2]. Жесткие стыки системы ЦНИИСК обеспечивают равнопрочные соединения с основным сечением. Они не имеют видимых на поверхности металлических деталей, что важно как по эстетическим соображениям, так и с точки зрения повышения огнестойкости. Скрытые в толще клееного пакета вклеенные стрежни являются армирующими зону соединения, повышают сдвиговую прочность стыкуемых элементов. В сравнении с традиционными соединениями на нагелях и болтах, прочность соединений на наклонно вклеенных в древесину стержнях на порядок выше. Это позволило не только улучшить дизайн стыка, но и снизить расход стали. Такие стыки применены в сборных арках теннисного центра. Двухшарнирные арки по длине состоят из трех клееных блоков длиной около 17,5 м. Блоки по торцам снабжены закладными деталями, которые присоединены к древесине на стержнях Ø 20 класса А400, вклеенных эпоксидным клеем ЭД-20 с добавлением маршалита. На монтаже закладные детали стыкуемых блоков сваривались с помощью накладок. Основные усилия в стыке воспринимаются закладными деталями и передаются через наклонные стержни на древесину. Перерезывающие силы в стыке воспринимаются V-образным анкером, вклеенным в торцы стыкуемых блоков. Зазор между торцами допускает рихтовку при сборке и заполняется полимерным раствором, который обладает высокой прочностью на сжатие и хорошей адгезией к древесине.

Поскольку в стыках арок изгибающий момент может изменять знак, то конструкция стыка принята симметричной относительно нейтральной оси сечения. Алгоритм расчета жестких стыков клееных деревянных конструкций приведен в статье А.А. Погорельцева [3]. Поперечный разрез каркаса теннисного центра и конструкция жесткого стыка арки показаны на рис. 2.

Система вклеенных стержней ЦНИИСК используется для всех основных конструктивных решений узлов каркаса теннисного центра. В частности, по данной системе устроен узел опирания вогнутой балки между корпусами, на арку АБК (рис. 2б). В узле закладная деталь балки на вклеенных стержнях при сборке сваривалась с закладной деталью на арке. Возможность сварки закладных деталей в деревянных конструкциях была доказана в ЦНИИСК экспериментально и опытом применения на многих объектах в России [1].

Особенность конструкций центра состоит в использовании наклонного и поперечного армирования вклеенными стержнями несущих конструкций для предупреждения возможного образования и компенсации трещин при эксплуатации. Такое армирование применено в опорных узлах арок, стоек фахверков, в опорах с подрезками прогонов и др.

К особенностям и недостаткам объекта следует отнести малоуклонную форму крыши над АБК и выбор материала кровли из панелей поликарбоната толщиной 25 мм, на которой образование снеговых мешков приводит к тотальным протечкам, увлажнению утеплителя в покрытии и деревянных прогонов, а также разрушению огнезащиты на них. Это обстоятельство явилось одной из причин проведения комплексных обследований несущих конструкций.

Арочное покрытие в коньке теннисных кортов устроено также безуклонным, что приводит к застою осадков и протечкам. Здесь ситуация усложняется из-за температурных деформаций в стыках панелей покрытия. Деформации верхних панелей на длине 6 м могут достигать 23 мм зимой и 20 мм летом. Деформации нижних панелей на скатах длиной около 25 м могут достигать около 15 см, что усложняет эксплуатацию покрытия в стыках.

С целью устранения дефектов крыши кортов вдоль конька над панелями поликарбоната разработана скатная надстройка с обшивкой из фанеры и кровлей мембраны. Деформации поликарбоната в коньке снижаются за счет его утепления от перегрева солнцем.

На крыше АБК разработана каркасная надстройка для плоской скатной крыши с уклоном 13° в зоне снегового мешка с устройством кровли из мембраны, инертной к панелям поликарбоната, который укладывается поверх мембраны с целью сохранения общего вида кровли.

Элементы методики и результаты натурных обследований

Методика обследований разработана на основании положений ГОСТ 31937-2011 [4] с учетом особенностей объекта и конструкций и включает следующее: сплошное освидетельствование опорных зон и узлов всех арок и стоек фахверков каркаса с оформлением дефектных ведомостей; сплошной осмотр всех жестких стыков с помощью квадрокоптера и непосредственный для стыков с дефектами; выборочный осмотр прогонов и распорок; круглосуточную недельную запись параметров режима эксплуатации с помощью электронных логгеров; лабораторное определение эффективности огнезащиты по ГОСТ Р 53292-2009 [5] на образцах из конструкций; послойное измерение влажности древесины; проведение поверочных расчетов конструкции с учетом дефектов и др.

В результате обследования приопорных зон и узлов из 35 арок только в 25 отсутствовали дефекты, в остальных отмечены несквозные трещины от усушки древесины на боковых гранях от 1 до 5 шт., глубиной до 100 мм вдоль клеевых швов, длиной от 0,3 до 3 м. Все трещины ограничены по концам маяками для возможности при последующих обследованиях установить их состояние развития или стабилизации.

Распределение влажности древесины арок по глубине составляет около 7,5 до 10 %, что свидетельствует об отсутствии развития процесса усушки. Характерные дефекты конструкций приведены на рис. 3. Все дефекты находятся в зоне, армированной наклонно вклеенными стержнями, и опасности не представляют.

В жестких стыках арок из 72 шт. в 11 обнаружено по одной-две несквозные трещины от усушки древесины длиной от 0,2 до 2 м в третях высоты сечения, то есть в зоне наклонно вклеенных арматурных стержней, которые не представляют опасности. Зазоров по линии стыков не отмечено. Поверочные расчеты, с учетом дефектов, подтверждают работоспособное состояние обследуемых арок с жесткими стыками. В арке, где в стыке отмечены в одной ветви сквозные трещины, потребуется инструментальный мониторинг при максимальной снеговой нагрузке или экспериментальное подтверждение резервов прочности путем испытания фрагмента стыка с аналогичными дефектами на изгиб до разрушения. Общий вид жесткого стыка с дефектами в арке по оси 33 приведен на рис. 4.

Замеры стрелы прогибов арок при отсутствии снеговой нагрузки не выявили остаточных деформаций и подтвердили упругую работу стыков арок в целом.

В трехшарнирных арках соседнего пролета АБК также обнаружены дефекты усушечного характера, но в меньшем количестве, чем в конструкциях кортов. На лучшем состоянии этих арок сказываются более благоприятные условия эксплуатации и тонкие ламели (16 мм), используемые при склеивании гнутых элементов большой кривизны, при радиусах изгиба около 4 м. Влажность древесины арок в наружных слоях составила в среднем 10 %, на глубине 40 мм – 12 %. Относительная влажность воздуха – 37 %. Разность послойной влажности древесины (около 2 %) находится на безопасном уровне и свидетельствует об остановке процесса усушки древесины. Однако малоуклонный участок крыши над АБК и ее криволинейная форма привели к образованию снеговых мешков и протечек кровли из панелей поликарбоната. Протечки увлажняют пирог покрытия и прогоны, разрушают огнезащитное покрытие и создают условия для биопоражения древесины. Устранять ситуацию предполагается путем изменения очертания крыши и путем замены кровли на кровлю из мембраны, более надежную при малых уклонах.

Состояние прогонов, распорок торцовых фахверков кортов определялось выборочно и не отличалось от состояния арок, в них также имели место усушечные несквозные трещины и расслоения. Поверочные расчеты подтверждают достаточную прочность этих конструкций с дефектами.

Двухнедельная круглосуточная запись режима эксплуатации несущих конструкций теннисного центра показала, что в среднем относительная влажность внутреннего воздуха не превышала 28 %, что не соответствует требованиям норм [5] (рис. 5).

Отклонения влажности воздуха внутри помещения от требуемого явились основной причиной образования дефектов клееной древесины в виде трещин от усушечных деформаций.

Для визуальной оценки состояния клееных конструкций в опорных зонах арок все дефекты зафиксированы маяками, по изменению параметров и количеству которых во времени можно судить о динамике и стабилизации ситуации.

Результаты исследований эффективности огнезащитного покрытия («Пирилакс К-45») по ГОСТ Р 53292-2009 [5] показали вспучивание состава на всех образцах без обугливания и горения древесины. Толщина защитного слоя в среднем составила около 45 мкм, толщина кокса при вспучивании составила 4 мм. Качество покрытия на арках в целом соответствует требованиям [4], за исключением локальных мест с протечками в кровле, где отмечено шелушение и изменение цвета защитного состава [5].

Поверочные расчеты клееных деревянных конструкций, с учетом несквозных усушечных трещин в сечениях, подтвердили достаточные запасы сдвиговой прочности. Наличие в арках с дефектами конструктивного армирования в торцевых зонах и по длине сборных элементов обеспечивает им безотказную эксплуатацию в дальнейшем.

Выводы и рекомендации

Опыт применения сборных большепролетных двухшарнирных деревянных арок с жесткими стыками системы ЦНИИСК в теннисном центре показывает целесообразность их применения в спортивных сооружениях при обеспечении требований [6] по влажности воздуха не ниже 40 %. Основной причиной образования дефектов клееных конструкций объекта является несоответствие режима эксплуатации требованиям [7], в частности это касается относительной влажности воздуха в отопительный период, особенно в первый год после сдачи объекта, когда явления усушки проявляются наиболее интенсивно.

Поверочные расчеты конструкций, с учетом несквозных усушечных трещин в сечениях, и наличие конструктивного армирования показали достаточный резерв прочности на сдвиг и подтвердили работоспособное состояние несущих арок [7].

Для поддержания клееных конструкций в работоспособном состоянии рекомендовано в объекте установить систему автоматического увлажнения внутреннего воздуха.

Обеспечение периодического мониторинга несущих конструкций с характерными дефектами при максимальной снеговой нагрузке позволит оценить их текущее состояние и принять своевременные меры по сохранности конструкций.

Для устранения дефектов кровли, связанных с формой покрытия и особенностями температурных деформаций панелей поликарбоната, разработан проект каркаса скатов крыши с большим уклоном и применение дополнительного слоя кровли из мембраны на мало­уклонных участках крыши.