При выполнении мониторинга [1] уникальных зданий и сооружений в соответствии с ГОСТ [2] для повышения степени обеспечения их безопасного функционирования, а также для отслеживания степени и скорости изменения технического состояния несущих конструкций и своевременного принятия в случае негативного изменения напряженно-деформированного состояния конструкций, экстренных мер по предотвращению их обрушений в ЦНИИСК им. В.А. Кучеренко разработана и апробирована методика определения напряженно-деформированного состояния конструкций с помощью механических тензометров ТМИ-500М на базе индикаторов часового типа.

Первым положительным опытом проведения такой работы является мониторинг покрытия Большой спортивной арены (БСА) «Лужники», который выполняется сотрудниками ЦНИИСК им. В.А. Кучеренко АО «НИЦ «Строительство» с 1996 г. по настоящее время [3][4].

В течение двух лет (с 2019 по 2020 г.) по этой же методике проводился мониторинг напряженного состояния распорной системы котлована строящейся гостиницы у Курского вокзала в г. Москве (рис. 1).

Особенностью временной ограждающей конструкции котлована строящегося здания гостиницы было устройство монолитной железобетонной «стены в грунте» толщиной 800 мм и глубиной до 30,25 м. «Стена в грунте» из монолитного железобетона выполнялась гидрофрезой с шириной ковша 2,8 м. Глубина котлована составляла от 20,70 до 21,20 м (рис. 2).

Вес перекрытий с монтажной нагрузкой передавался на «стену в грунте» через распорные фермы, опирающиеся на нее с помощью временных опорных столиков, выполненных из двутавров 50Б2. Опорные столики крепились к закладным деталям, заложенным в «стене в грунте».

Крепление «стены в грунте» было предусмотрено четырьмя ярусами капитальных перекрытий, которые соединялись между собой системой из распорных ферм и обеспечивали её устойчивость от опрокидывания.

План расположения ферм распорной системы приведен на рис. 3.

Установка распорных ферм на трех ярусах, состоящих из поясов и раскосной решетки, и самого нижнего 4-го яруса – из подкосов к узлам нижних поясов третьего яруса (рис. 4), осуществлялась по мере выработки грунта под уже смонтированными конструкциями.

Измерения деформаций (напряжений) с помощью установленных механических тензометров в наиболее напряженных элементах всех распорных ферм (рис. 5) проводились по графику в шесть этапов после окончательного монтажа конструкции. Каждый этап был разделен на циклы, во время которых проводились измерения и анализ напряженно-деформированного состояния конструкций распорных ферм. За время проведения мониторинга (с сентября 2019 года по декабрь 2020 г.) было проведено 32 цикла измерений по всем ярусам: на отм. +141.350 (1-й ярус); +135.650 (2-й ярус); +131.750 (3-й ярус) и +127.850 (4-й ярус).

На первом этапе со 2-го по 6-й цикл проведения измерений были смонтированы только фермы № 2, 3, 4, 5 и 6 самого верхнего первого яруса, началась выборка грунта под второй ярус (рис. 6).

К проведению 7-го цикла были полностью смонтированы фермы № 2÷10 первого яруса, почти закончилась выборка грунта под первым ярусом (рис. 7), произведен монтаж фермы № 2 и частично ферм № 3 и 4 на втором ярусе. На смонтированных фермах сразу устанавливались механические тензометры и производился начальный отсчет.

На момент проведения 11–12-х циклов 2-го этапа на первом и втором подземных ярусах были полностью смонтированы все элементы распорных ферм котлована и произведен монтаж ферм № 2, 3, 4, 5 и 6 третьего подземного яруса.

Во время проведения измерений 14-го цикла под фермами первого, второго и третьего подземных ярусов грунт был полностью удален. Распорные фермы на первом и втором подземных ярусах полностью установлены, на третьем ярусе смонтированы все распорные фермы, кроме отдельных элементов в ферме № 7. На 4-м подземном уровне, верхняя грань которого расположена на отм. +122.300, грунт был удален под фермами № 2, 3, 4 и 5.

Во время проведения измерений в 28-м цикле под фермами первого, второго и третьего подземных ярусов грунт был везде удален, распорные фермы на первом, втором и третьем подземных ярусах полностью установлены. Продолжалась разработка грунта под перекрытием, верхняя грань которого расположена на отм. +127.850. На 4-м подземном уровне, нижняя часть которого расположена на отм. +122.300 м, под фермами № 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8 и 9 грунт был удален полностью по всей длине и частично под фермой № 10.

К проведению 29-го и 30-го циклов были полностью смонтированы фермы № 2÷10 первого, второго и третьего ярусов, грунт под этими фермами был везде удален.

Однако в связи с установкой стационарных железобетонных стен и колонн на подземном уровне произведено удаление распорной фермы № 2, в фермах № 3 и 4 удалены все элементы, за исключением раскосов Р8, Р9, Р10 и частично Р7 на первом ярусе. В связи с этим на фермах № 2, 3, 4, 5 и 6, выполнивших свою функцию распорных конструкций, были сняты измерительные приборы (рис. 8).

В течение всего мониторинга осуществлялось измерение напряжений (деформаций) наиболее напряженных элементов стальных распорных ферм с помощью механических тензометров (рис. 9). Исходным состоянием для определения напряженного состояния элементов распорных ферм в процессе создания фундаментов строящегося здания было принято их состояние в момент снятия нулевых отсчетов с установленных механических тензометров на уже смонтированных распорных конструкциях.

Принятая для проведения измерений система регистрации напряжений в элементах распорных ферм с помощью механического тензометра типа ТМИ со съемным деформометром [5, 6] является наиболее надежной, т. к. при применении электромеханических или электронных систем измерений возможна реальная угроза повреждения или утрата закрепленных на конструкциях приборов или соединительных кабелей для электромеханических датчиков. Кроме того, на электромеханические или электронные датчики значительно влияют атмосферные осадки и электромагнитное излучение от сварочных работ или другого строительно-монтажного оборудования.

Напряжения в элементах ферм определяются с помощью закона Гука [5][6] по результатам измерений деформаций на установленных приборах (рис. 10). При этом учитывается вся история нагружения конструкции с момента ее возведения до проведения текущего этапа.

При определении деформаций элементов вводится учет температурных поправок из-за того, что температура самой конструкции, температура штанги базы механического тензометра и температура контрольного калибра прибора могут различаться. Разработана методика учета поправок при определении действительных деформаций элементов покрытия, и при определении деформации волокна сечения деформация, полученная при измерении от внешних нагрузок, суммируется с температурными деформациями. Измерение температур конструкции, штанги и калибра проводится электронным контактным термометром ТК-5.О1П, изготовленным отечественной фирмой «Техно-АС». Пределы измерений термометра расположены в диапазоне от –20 до +200 °С [5][6].

По результатам обработки и анализа полученных данных в табл. 1 представлена динамика увеличения максимальных напряжений в элементах наиболее нагруженных распорных ферм за весь период мониторинга, включающий установку ферм по ярусам, установку перекрытий, удаление под установленными перекрытиями грунта и в конечных циклах – удаление самих элементов распорных ферм.

Наибольшие сжимающие напряжения были зафиксированы в элементах фермы № 5, которые увеличивались с 1428 кг/см2 (начиная с 11-го цикла) до 2520 кг/см2 (в циклах 28÷32). Эти напряжения превысили расчетное сопротивление стали, из которой были изготовлены элементы распорных ферм. Таким образом, во время научно-технического сопровождения установки распорной системы для обеспечения устойчивости котлована была зафиксирована нештатная ситуация, требовавшая ее устранения. Наибольшее значение напряжений в верхнем поясе фермы № 5 первого яруса объясняется расположением в зоне этой фермы грейфера, удаляющего грунт в разрабатываемом котловане. Кроме того, перед проведением измерений 22-го цикла монтажная организация удалила два грунтовых «целика» (рис. 11), поддерживающих распорные фермы с уровня самой нижней отметки разработки котлована (+122.300 м) до верхней грани перекрытия 4-го яруса на отм. +127.850. Это привело к резкому увеличению сжимающих напряжений в верхних поясах распорных ферм на первом ярусе.

Для предотвращения дальнейшего увеличения напряжений было принято решение:

На остальных ярусах за весь период измерений напряжения по сжатию и растяжению выше 2100 кг/см2 (во втором ярусе в элементах фермы № 4 в циклах 28÷32) не поднимались (см. табл. 1).