А.С.СЕМЧЕНКОВ, д-р техн. наук, проф., Б.С.СОКОЛОВ, канд. техн. наук; М.И.ЕГОРОВ, канд. техн. наук, Натурные испытания в Ледовом дворце на Ходынском поле
Ледовый дворец (рис. 1) построен по проекту ГУП МНИИП Моспроект-4 и фирмы «АрхИнж», рассчитан на 14 тысяч зрительских мест и предназначен для проведения соревнований по хоккею, фигурному катанию, а также баскетболу, боксу, теннису, гимнастике и тренировочных занятий. Кроме того, здесь предусмотрено проведение эстрадных представлений.
Дворец спорта представляет собой в плане эллипсоидальное сооружение стадионного типа длиной более 120 м, в котором трибуны решены в виде амфитеатра (рис. 2). Ледовая арена размером 60x30 м, выполненная в соответствии с мировыми стандартами, размещается на первом этаже. На втором этаже - нижний ярус трибун на 5 тыс. зрителей. На третьем - правительственная ложа, помещения зрителей зоны VIP, ложа приглашенных гостей, коммерческие ложи, ложа прессы. На четвертом - верхний ярус трибун на 8600 зрителей. На этажах в подтрибунных пространствах размещены вспомогательные помещения (гардеробы, технические зоны и др.). По периметру здания устроены спиралевидные пандусы.
Несущая система здания - каркасно-стеновая, исполнена в монолитном железобетоне. Покрытие здания - большепролетная висячая стальная оболочка. Фундамент выполнен в виде монолитной фундаментной плиты на естественном основании. Основные колонны каркаса подтрибунного пространства, объединенные радиально-кольцевой системой монолитных балок, образуют совместно с горизонтальными плитами перекрытий и наклонными плитами трибун пространственный каркас, в элементах которого расчетом выявлена сложная картина распределения внутренних усилий.
В конце 2006 г., непосредственно перед пуском объекта в эксплуатацию, были выполнены натурные испытания одной из колонн по оси «Г», самых нагруженных поданным расчета каркаса. Наиболее напряженным участком этих многоэтажных колонн является зона по высоте колонны между узлом опирания наклонной балки подтрибунной плиты нижнего яруса трибун и плитой перекрытия над вторым этажом на отм. +11,3 м.
Непосредственным объектом испытания стала выбранная проектными организациями железобетонная монолитная колонна в осях Г/315 и примыкающие к ней элементы каркаса. Колонна воспринимает нагрузки трибун, в том числе лож и междуэтажных перекрытий подтрибунного пространства. Целью натурных испытаний явилась оценка фактической работоспособности испытываемой колонны с примыкающими к ней элементами каркаса при воздействии на них временных нагрузок от трибун и лож на соответствие с предъявляемыми к ней проектными и нормативными требованиями по прочности, устойчивости и жесткости перед сдачей объекта в эксплуатацию.
Методика натурных испытаний заключалась в следующем.
Нагружение производилось на участке, ограниченном в плане осями В-Ж и 310-320 (конструктивные ячейки сооружения, примыкающие к оси 315). Полная площадь участка нагружения составила 285,2 м2, в том числе площадь четырех конструктивных ячеек каркаса, примыкающих к испытываемой колонне, -194,4 м2, грузовая площадь испытываемой колонны -48,6 м2.
Нагружение производилось в три этапа. На начальной стадии испытания нагружалась ложа с размещением в ней 48 человек. На первом этапе людей рассадили на трибунах в креслах общим количеством 744 человека. На втором этапе рядом с каждым креслом на трибунах дополнительно было размещено по одному человеку общим количеством 744 человека. Таким образом, в испытаниях для нагружения было задействовано 1546 человек. На третьем этапе люди, размещенные на втором этапе нагружения, маршировали и прыгали с целью создания динамической нагрузки, оцениваемой как превышающая статическую нагрузку второго этапа на 20...25%. Таким образом, интенсивность испытательной нагрузки первою этапа составила 2 кН/м2; второго этапа - 4 кН/м2; третьего этапа - 4,8.. .5,0 кН/м2.
Перед началом испытаний были проведены следующие предварительные мероприятия:
осмотр несущих конструкций в зоне испытаний с фотофиксацией дефектов и повреждений;
натурные обмеры с целью установления исполнительных размеров сечений несущих конструкций в зоне испытаний;
определение фактической прочности бетона испытываемой колонны ударно-импульсным методом; установка измерительных приборов.
Осмотром поверхностей бетона несущих конструкций в зоне испытываемой колонны обнаружено наличие отдельных дефектов в виде усадочных трещин в защитном слое бетона нижней поверхности плиты перекрытия на отм. 11,30 м; технологической трещины в зоне примыкания кольцевой балки к колонне с раскрытием до 0,5 мм, отдельных каверн в бетоне на нижней поверхности радиальных балок трибун, а также отклонения в размерах поперечного сечения колонны от проекта. Состояние боковых поверхностей на вскрытых поверхностях колонны признано удовлетворительным.
Прочность бетона обследуемой колонны, по данным испытаний неразрушающим методом, составила 48,2 МПа на участке от пола перекрытия на отм. 5,00 м до нижней грани опирания наклонного ригеля трибуны по оси 315; в верхней части колонны и кольцевой балке по оси «Г» прочность бетона составила 44,5 МПа. Соответственно фактическая прочность бетона составила 147 и 136% проектного значения.
В результате испытаний установлено следующее: Испытанная многоэтажная колонна по оси Г/315, в том числе наиболее напряженный ее участок и примыкающие к нему элементы каркаса (3 ригеля, 4 ячейки перекрытий над 2-м этажом, ригель и 2 ячейки перекрытия над 3-м этажом), при контрольной статической испытательной нагрузке 4 кН/м2 горизонтальной проекции трибун 1-го и 2-го ярусов и контрольной динамической нагрузке с максимальным значением до 4,8...5,0 кН/м2 горизонтальной проекции трибун 1-го и 2-го ярусов и выдержке при статической нагрузке в течение 0,5 ч не разрушились и не получили видимых повреждений и деформаций как в опасных бездефектных зонах конструкций, так и в зонах с начальными дефектами технологического характера в виде трещин, т.е. выдержали статические и динамические испытания по критериям прочности, устойчивости и трещиностойкости.
Контрольное значение испытательной статической нагрузки 4 кН/м2 соответствует нормативному значению временной нагрузки на трибуны по СНиП 2.01.07-87 (табл. 3, п. 7). Согласно расчетам, внутренние усилия от испытательной нагрузки (изгибающие моменты, продольные и поперечные силы) в опасном сечении колонны составляют 11-13% от усилий, вызываемых полной эксплуатационной расчетной постоянной и временной нагрузками на колонну. Испытательная нагрузка в 1,2 раза меньше расчетной нагрузки на трибуны 4 Yf = 4,8 кН/м2, и в 1,44 раза меньше расчетной нагрузки с учетом коэффициента надежности по ответственности уп = 1,2, составляющей 5,65 кН/м2.
Испытательная динамическая нагрузка при маршировке и прыгании людей на трибуне равна 4,8.. .5,0 кН/м2 при оценочном значении коэффициента динамичности 1,2... 1,25. Динамическая нагрузка по своему значению соответствует расчетной статической нагрузке 5 кН/м2 по СНиП 2.01.07-85.
Статическую нагрузку величиной 5,65 кН/м2 с учетом уп = 1,2 создать не удалось в связи со сложностью дальнейшей концентрации людей на пространстве трибун.
Экспериментальные значения перемещений конструкций при нормативной временной статической нагрузке на трибуны составили:
- горизонтальное перемещение главных балок трибун колонны на отм. +9.700 (по продольной оси примыкающих кольцевых ригелей) в радиальном направлении в сторону оси Д наружу здания - 0,1 мм, что ниже ожидаемого расчетного значения;
- горизонтальное перемещение колонны в радиальном направлении на отм. +7.500 в сторону оси В (вовнутрь здания) - 0,3 мм;
- вертикальные перемещения ригелей (главных балок трибун) на отм. +9.700 относительно пола 2-го этажа на отм. +5.100 в местах, отстоящих на 500 мм от граней колонны, 0,01 ...0,03 мм;
- вертикальные перемещения (прогибы) наклонных подтрибунных плит перекрытия в середине пролетов конструктивных ячеек в осях В-Г/310-315 и В-Г/ 315-320 относительно пола 2-го этажа - 0,1 мм;
Напряжения в контролируемом сечении на высоте 1 м от пола 2-го этажа (отм. +6.100) составили на гранях колонны прямоугольного сечения, обращенных:
по радиальной оси 315 в сторону оси Д наружу здания - 0,82 МПа,
по радиальной оси 315 в сторону оси В вовнутрь здания - 0,73 МПа,
по кольцевой оси Г от оси 315 в сторону оси 320 - 0,79 МПа,
по кольцевой оси Г в сторону оси 310 - 0,76 МПа, среднее нормальное напряжение по сечению колонны составило 0,78 МПа, что не превысило ожидаемого расчетного значения напряжения (0,83 МПа).
Сопоставление измеренных напряжений в сечении колонн на первом этапе нагружения при половинной временной нагрузке 2 кН/м2 и втором этапе при полной испытательной нагрузке 4 кН/м2 показало, что приращение напряжений между этапами нагружения носит линейный характер.
По результатам выполненных испытаний сделаны следующие основные выводы:
1. Измеренные перемещения и приращения напряжений соответствуют ожидаемым расчетным приращениям от испытательной нагрузки и носят линейный характер.
2. При нагружении на поверхности колонны образования силовых трещин не выявлено. Имевшиеся до испытаний трещины технологического характера развития не получили.
3. Испытываемая колонна в осях Г/315 с прилегающими элементами каркаса при испытаниях кратковременной статической нагрузкой на трибунах 4 кН/м2 и динамической нагрузкой до 5 кН/м2 при проектной статической нагрузке 5,65 кН/м2 выдержали испытания и показали соответствие требованиям проекта и норм по прочности, устойчивости, жесткости и трещиностойкости.
4. Кратковременность проведенного испытания и достигнутая в испытаниях интенсивность временной статической нагрузки (71% проектного расчетного значения нагрузки на трибунах) не позволили в полной мере смоделировать возможные условия нагружения колонны при эксплуатации, в связи с чем результаты испытаний отчасти имеют оценочный характер, однако достоверность оценки поведения конструкций в предельных проектных условиях работы при принятой методике испытаний и полученных результатах достаточно высока.
Современная архитектура и строительная практика выдвигают задачу создания весьма сложных конструктивных систем, напряженное состояние которых может быть недооценено расчетом на стадии проектирования. Именно поэтому натурные испытания несущих конструкций являются важной задачей и должны стать обязательным этапом всего комплекса работ по созданию уникальных сооружений, к числу которых принадлежит Ледовый дворец на Ходынском поле. Трехшарнирные сегментные своды, собираемые из секций, состоящих из двух железобетонных панелей-оболочек КЖС размерами 3x18 и 3x24 м с двумя затяжками по краям каждой секции, были разработаны в НИИЖБе по предложению профессора Р.Н. Ма- целинского [1,2].
Бетон и железобетон, 2007 №4