В данной работе описывается процесс создания системы мониторинга напряженно-деформированного состояния, которая позволяет увеличить безопасность и надежность покрытия стадиона «Газпром Арена», с помощью которой можно предотвратить возникающие в процессе эксплуатации сооружения возможные нештатные ситуации в уникальном трансформируемом большепролетном покрытии. Данная система установлена на уникальном трансформируемом большепролетном покрытии стадиона «Газпром Арена» согласно требованиям федерального закона № 384-ФЗ и ГОСТ 27751–2014 «Надежность строительных конструкций зданий и сооружений».

Стадион «Газпром Арена» – это многофункциональный футбольный стадион закрытого типа высшей категории (по международной классификации «Элит» разряда «А») круглогодичного использования с выдвижным полем, раздвижной крышей и трибунами. Вместимость стационарных трибун – 62 300 зрителей. В настоящее время на стадионе установлены дополнительные разборные трибуны, позволившие увеличить количество посадочных мест на арене до 68 тысяч.

Проект стадиона выполнен институтом «Гипростроймост СПб» (инженеры Скорик Г. Б., Зюськов А. Г.) по проекту японского архитектора Киcе Курокава, выигравшего творческий конкурс. В проекте учтены требования [1][2].

Фасад стадиона в положении «закрыто» и «открыто» приведен на рис. 1.

Интерьер стадиона при закрытом и открытом трансформируемом покрытии изображен на рис. 2.

Стадион «Газпром Арена» относится к зданиям и сооружениям повышенного уровня ответственности по № 384-ФЗ и класса КС-3 по ГОСТ 27751–2014. Коэффициент надежности по ответственности принят равным 1,2.

Кровля стадиона имеет форму пологого купола с радиусом кривизны 725 м и наружным диаметром в плане 295,9 м. Относительная отметка верха кровли составляет +79,000.

Наружный опорный контур, включающий балки наружного окаймления и ортотропные плиты, воспринимает распор с покрытия. Несущим сжато-изгибаемым элементом покрытия является внутренний контур, представляющий пространственную ферму, состоящую из трех поясов, объединенных вертикальными, горизонтальными связями и подкосами (рис. 3). Тангенциальные фермы являются кольцевыми связевыми блоками, а радиальные криволинейные фермы – ребрами.

В центральной зоне купола диаметром 150 м для перемещения раздвижных створок кровли на расстоянии 89,96 м друг от друга установлены две ездовые фермы пролетом 251,2 м (рис. 4). Ездовые фермы имеют по четыре собственные опоры для каждой ездовой фермы и шарнирно опираются на них (рис. 5).

Несущие металлические конструкции покрытия опираются с помощью стальных колонн (рис. 6) на железобетонные конструкции фундаментов с помощью специальных шарниров. Внутренний контур подвешен на сорока вантах, прикрепленных к восьми наклонным пилонам.

Общая устойчивость покрытия обеспечивается пространственной работой купола и установленными в осях симметрий Л-образными колоннами (рис. 7).

В проекте покрытия принята система координатных осей, состоящая из кольцевых (буквенных) и радиальных (цифровых) осей, соответствующих шагу основных несущих конструкций покрытия, что показано на рис. 8.

Футбольный стадион «Газпром Арена», согласно федеральному закону № 190-ФЗ от 29.12.2004 г. «Градостроительный кодекс», относится к уникальным сооружениям, он имеет пролет более 100 м.

Для обеспечения надежности и безопасности уникальных сооружений по требованиям федерального закона № 384-ФЗ «Технический регламент безопасности зданий и сооружений» необходимо провести научно-техническое сопровождение (НТС) при проектировании, изготовлении, монтаже и эксплуатации. В его состав входит мониторинг напряженно-деформированного состояния элементов металлических конструкций, входящих в состав покрытия.

Для обеспечения безопасности работы покрытия в ЦНИИСК им. В. А. Кучеренко совместно с ООО Фирма «ЮСТАС» разработана и установлена на стадионе система мониторинга напряженно-деформированного состояния, входящая в состав НТС [3–7].

В процессе мониторинга напряженного покрытия определяются деформации (напряжения) в основных конструкциях (в наиболее напряженных сечениях элементов). Измерения проводятся с помощью разработанных в ЦНИИСК им. В. А. Кучеренко механических тензометров ТМИ-500М, с использованием съемных деформометров и с учетом температурных поправок.

На рис. 9 а показан механический тензометр без съемного деформометра. Это его вид, когда измерения не проводятся, а на рис. 9 б прибор изображен в момент проведения измерений с установленным съемным деформомометром.

Процесс измерения деформаций (напряжений) приведен на рис. 10.

Измерение температур конструкции, штанги и калибра показано на рис. 11. Они проводятся электронным контактным термометром ТК5-О1П, изготовленным отечественной фирмой Техно АС.

В состав мониторинга напряженного состояния также входит измерение снеговой нагрузки на покрытие, что показано на рис. 12 а, б. Измерения проводятся весовым снегомером ВС-43, разработанным в ЦКБ Росгидромета, что позволяет определить интенсивность и распределение снеговой нагрузки на покрытие, которое показано на рис. 13 а, б.

Мониторинг деформированного состояния покрытия и трибун выполняется методами инженерной геодезии и позволяет определять прогибы и горизонтальные перемещения в контрольных точках покрытия.

Схема мониторинга деформированного состояния разработана по требованиям нормативных документов [9][10].

Первично для определения текущего состояния конструкций были выполнены мероприятия по созданию опорной геодезической сети на стадионе, что изображено на рис. 14.

Во время создания планово-высотного обоснования для сохранения преемственности измерений были совместно измерены и уравнены координаты деформационных марок, расположенных на пилонах стадиона.

Координаты пунктов планового обоснования работы проводились согласно п. 5.2 [8]. Уравнивание инструментальных геодезических измерений выполнялось с помощью программы «Кредо Дат».

Определение высотного положения пунктов обоснования выполнялось с помощью высокоточного оборудования фирмы Leica, нивелира Leica LS15 и тахеометра Leica TS60 (технические характеристики представлены в табл. 1), прошедшими обязательную сертификацию в центре стандартизации, метрологии и испытаний.

С помощью электронного нивелира (от глубинных реперов, отметки которых были переданы заказчиком, до четырех реперов, заложенных в железобетонные конструкции трибун стадиона) был проложен ход геометрического нивелирования II класса в соответствии с п. 6.3 [8].

Затем с помощью электронного тахеометра Leica TS60 в соответствии с п. 6.4 [8] методом тригонометрического нивелирования была произведена передача высотной отметки на пункты планово-высотного обоснования.

Для удобства вычисления прогиба конструкций отметки высотного положения были пересчитаны из городской системы высот в строительную, относительно проектного нуля стадиона.

Следом были выполнены измерения конструкций тахеометрами и с помощью лазерного сканирования (рис. 15). Эти действия позволили охватить практически 100 % конструкций покрытия стадиона и определить их текущее положение относительно момента до раскружаливания конструкций. Результат сканирования показан на рис. 16.

На следующем этапе для стадиона была разработана и установлена автоматизированная система мониторинга деформированного состояния, позволяющая шесть раз в день измерять горизонтальные и вертикальные перемещения конструкций, которая может быть перенастроена в случае аварийных ситуаций на цикл измерений 1 раз в 15 минут. Система состоит из двух тахеометров Leica TS60 (рис. 17), 108 L-образных призменных отражателей (рис. 18), программного обеспечения, позволяющего записывать данные и передавать по каналам связи для обработки результатов измерений, которая также в графическом виде дает возможность строить деформированные схемы в плане и на разрезах. Отметим, что данная система впервые установлена для слежения за работой большепролетных строительных конструкций с учетом требований по точностям, приведенным в [8].

Настройка автоматизированной системы показана на рис. 19. На рис. 20 показано рабочее место оператора автоматизированной системы мониторинга деформированного состояния и интерфейс системы сбора данных.

По результатам, полученным системой мониторинга деформированного состояния, строится деформированная схема, которая приведена на рис. 21.

Разработанная и установленная система мониторинга НДС позволила выявлять возможные нештатные ситуации, возникающие в процессе эксплуатации, оценивать их опасность и принимать меры по их устранению. На основании полученных результатов определяется техническое состояние объекта, что позволяет давать разрешения на безопасное проведение спортивных и концертных мероприятий, проводимых на стадионе.

Создание самого сложного в мире стадиона с трансформируемыми уникальным большепролетным покрытием и футбольным полем позволило соорудить спортивную арену, удовлетворяющую строгим требованиям ФИФА к аренам для проведения чемпионата мира по футболу, матчи которого с успехом проведены в 2018 году. На стадионе также успешно проведены матчи чемпионата Европы 2021 года. Стадион был готов к проведению финала Лиги чемпионов по футболу.

Научно-техническое сопровождение, в которую входит и мониторинг НДС, позволило следить за уровнем напряжений в металлических элементах уникального большепролетного покрытия, определять перемещения его элементов, графически строить деформированную схему сооружения, предупреждать и предотвращать возможные нештатные ситуации, которые возникали в процессе эксплуатации покрытия и могут возникать при дальнейшей эксплуатации уникального сооружения.