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.

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.

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.

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.