П.Г. Еремеев
СОВРЕМЕННЫЕ СТАЛЬНЫЕ
КОНСТРУКЦИИ БОЛЬШЕПРОЛЕТНЫХ
ПОКРЫТИЙ УНИКАЛЬНЫХ ЗДАНИЙ
И СООРУЖЕНИЙ
P.G. YEREMEYEV
MODERN L
SPAN
Т
STRUCTURES
ONE OF A KIND BUILDINGS

Рецензенты:
заведующий лабораторией «Тонкостенные и пространственные
конструкции» НИИЖБ им. А.А. Гвоздева, доктор технических наук,
профессор В. В. Шугаев;
главный специалист отдела промышленных и гражданских
сооружений ЦНИИПСК им. Мельникова, доктор технических наук
В.А. Савельев.
Еремеев П.Г.
Современные стальные конструкции большепролетных покрытий
уникальных зданий и сооружений: Монография. — М.: Изд-во АСВ,
2009. - 336 с., 161 ил.
ISBN 978-5-93093-651-3
Обобщены и изложены особенности проектирования, изготовления и
монтажа современных стальных конструкций уникальных большепролетных
сооружений, построенных в стране в последние 10 лет.
Приведены конструктивные решения покрытий, описаны методы и ре¬
зультаты численных расчетов на эксплуатационные и монтажные нагрузки.
Отражены вопросы изготовления и монтажа, научно-технического сопрово¬
ждения строительства, мониторинга сооружений, обеспечения их безопас¬
ности от лавинообразного (прогрессирующего) обрушения.
Для инженеров-проектировщиков, научных работников, студентов стро¬
ительных вузов.
Features of design, fabrication and assembly of modem steel structures for
one of kind large-span structures assembled in the country for the last 10 years
have been generalized.
Structural decisions of roofing’s are presented; methods and results of numer¬
ical calculations on operational and assembly loads are described. Questions of
fabrication and assembly, research and technical support of construction, build¬
ings monitoring, and ensuring of their safety from progressive collapse are re¬
flected.
ISBN 978-5-93093-651-3
© Еремеев П.Г., 2009
© Издательство АСВ, 2009

ОГЛАВЛЕНИЕ
Предисловие	9
Глава 1. Особенности проектирования большепролетных (в том
числе уникальных) зданий и сооружений	13
§1.1. Основные положения	13
§ 1.2. Этапы проектирования	  15
§1.3. Нагрузки и воздействия	18
§ 1.4. Требования к расчетам	25
§ 1.5. Научно-техническое сопровождение	28
§ 1.6. Опыт проектирования и строительства	29
Литература	32
Глава 2. Светопрозрачное покрытие Старого	Гостиного Двора	35
§ 2.1. Общие сведения	  35
§ 2.2. Конструктивное решение покрытия	40
2.2.1.	Форма плана и поверхности покрытия	40
2.2.2.	Общая компоновка конструктивной схемы	42
2.2.3.	Разработка и анализ вариантов конструктивных схем
комбинированной арочно-вантовой системы	47
2.2.4.	Численные исследования устойчивости комбинированных
арочных систем	53
§ 2.3. Научно-техническое сопровождение проектирования	62
2.3.1.	Нагрузки и воздействия	62
2.3.2.	Численные исследования работы арочно-вантовой системы	66
2.3.3.	Исследования устойчивости арочно-вантовой системы	83
§ 2.4. Изготовление и монтаж конструкций. Научно-техническое
сопровождение	93
2.4.1.	Изготовление несущих металлоконструкций	93
2.4.2.	Монтаж несущих металлоконструкций	94
2.4.3.	Монтажная сварка	95
2.4.4.	Научно-техническое сопровождение изготовления и монтажа
конструкций	97
§ 2.5. Экспериментальное исследование крупномасштабной модели
фрагмента покрытия	105
2.5.1.	Конструкция модели покрытия	105
2.5.2.	Методика проведения эксперимента	109
2.5.3.	Результаты экспериментальных исследований	115
Литература	136
Глава 3. Покрытие над трибунами стадиона «Локомотив»	139
§ 3.1. Общие сведения	139
§ 3.2. Конструктивное решение покрытия над трибунами	143
3.2.1.	Форма плана и поверхности покрытия над трибунами	143
3.2.2.	Общая компоновка конструктивной схемы	145
3.2.3.	Угловые пилоны с оттяжками	147
3.2.4.	Вантовая система	149
§ 3.3. Научно-техническое сопровождение проектирования покрытия	151
3.3.1.	Нагрузки и воздействия	152
3.3.2.	Статическая схема работы комбинированной пространственной
конструкции козырька над трибунами	157
3.3.3.	Численные исследования работы конструкций покрытия	159
§ 3.4. Изготовление и монтаж конструкций	163
1
3

3.4.1.	Изготовление несущих металлоконструкций	на Белгородском ЗМК	163
3.4.2.	Вантовая система	165
3.4.3.	Монтаж несущих конструкций	168
3.4.4.	Светопрозрачные ограждающие конструкции	178
§ 3.5. Научно-техническое сопровождение изготовления и монтажа конструкций ....181
3.5.1.	Применение сталей повышенной и высокой прочности	181
3.5.2.	Проведение технического контроля качества и приемка
металлоконструкций на стадии изготовления и монтажа	182
3.5.3.	Научно-техническое сопровождение и численные исследования
работы покрытия на стадии монтажа	190
§ 3.6. Натурные исследования основных несущих конструкций на стадии
монтажа и эксплуатации	193
3.6.1.	Геодезическое обеспечение монтажа металлоконструкций	193
3.6.2.	Мониторинг несущих конструкций при эксплуатации сооружения	197
Литература	200
Глава 4. Крытый конькобежный центр в Крылатском	202
§4.1. Общие сведения	202
§ 4.2. Конструктивное решение. Численные исследования работы покрытия	208
4.2.1.	Варианты конструктивного решения и элементы покрытия	208
4.2.2.	Статическая схема работы конструкций	223
4.2.3.	Численное моделирование работы системы на эксплуатационные
нагрузки	224
4.2.4.	Численное моделирование монтажа конструкций покрытия	226
§ 4.3. Изготовление и монтаж конструкций	227
4.3.1.	Изготовление конструкций	227
4.3.2.	Монтаж конструкций	231
§ 4.4. Научно-техническое сопровождение проектирования, изготовления и
монтажа несущих конструкций	243
4.4.1.	Научно-техническое сопровождение проектирования	243
4.4.2.	Разработка рекомендаций по климатическим нагрузкам	245
4.4.3.	Научно-техническое сопровождение изготовления и монтажа
несущих металлических конструкций	249
4.4.4.	Научно-техническое сопровождение проектирования,
изготовления и монтажа металлодеревянных ферм покрытия	251
4.4.5.	Экспериментальные исследования крупномасштабной модели	252
4.4.6.	Мониторинг несущих конструкций на этапах монтажа и
эксплуатации сооружения	254
§ 4.5. Анализ результатов расследования причин предаварийного состояния
крытого конькобежного центра	255
Литература	259
Глава 5. Примеры проектирования и возведения ряда современных
большепролетных сооружений	262
§ 5.1. Покрытие тренировочного футбольно-легкоатлетического манежа
Центрального стадиона в г. Казани	262
5.1.1.	Конструктивная схема покрытия	262
5.1.2.	Нагрузки и воздействия. Основные положения расчета	264
5.1.3.	Порядок монтажа несущих конструкций	266
§ 5.2. Покрытие Ледового дворца спорта на Ходынке	268
5.2.1.	Архитектурно-планировочные решения	268
5.2.2.	Конструктивная схема покрытия	268
5.2.3.	Нагрузки и воздействия. Основные положения расчета	271
4

§5.3. Покрытие над трибунами стадиона «Труд» в г. Подольске Моек, обл	273
5.3.1.	Конструктивное решение	273
5.3.2.	Методика и результаты статических расчетов	275
5.3.3.	Принципиальная схема монтажа покрытия	275
§ 5.4. Купол и навесы входной группы аэровокзального комплекса
Шереметьево-3	277
5.4.1.	Купол над вестибюлем центральной части аэровокзального
комплекса	277
5.4.2.	Входная группа терминала аэровокзального комплекса
Шереметьево-3 	280
5.4.3.	Методика и результаты расчетов	283
§ 5.5. Универсальный спортивный модуль	284
5.5.1.	Основные конструктивные решения	284
5.5.2.	Методика и результаты статических расчетов	285
§ 5.6. Проекты покрытий с применением конструкций фирмы «МЕРО»	287
5.6.1.	Центральное ядро ММДЦ «Москва-сити»	288
5.6.2.	Аквапарк ММДЦ «Москва-сити»	289
5.6.3.	Здание входа в Московский зоопарк	289
5.6.4.	Здание ледового Дворца спорта в г. Тольятти	291
Литература	292
Глава 6. Мониторинг несущих конструкций на стадии монтажа и
эксплуатации сооружения	293
§ 6.1. Основные положения	293
§ 6.2. Программа работ по проведению инструментального мониторинга	298
6.2.1.	Разработка системы критериев контроля напряженно-
деформированного состояния несущих конструкций	298
6.2.2.	Обоснование величин предельно допустимых перемещений
основных несущих конструкций сооружения в наблюдаемых точках 	299
6.2.3.	Обоснование схемы расположения и количества наблюдаемых
точек на несущих конструкциях	300
§ 6.3. Основные этапы проведения инструментального мониторинга	301
6.3.1.	Особенности проведения мониторинга на стадии монтажа	301
6.3.2.	Разработка автоматизированной системы мониторинга при
эксплуатации сооружения	302
6.3.3.	Методика замеров снеговых нагрузок	303
§ 6.4. Основные требования по организации надлежащей эксплуатации
сооружения	304
Литература	307
Глава 7. Обеспечение безопасности большепролетных сооружений
от лавинообразного (прогрессирующего) обрушения при аварийных
воздействиях	308
§ 7.1. Основные положения	308
§ 7.2. Требования к проектированию большепролетных сооружений по
обеспечению их безопасности от лавинообразного обрушения	311
7.2.1.	Аварийные расчетные ситуации и воздействия	311
7.2.2.	Мероприятия по обеспечению безопасности большепролетных
сооружений от лавинообразного обрушения при аварийных
воздействиях	312
§ 7.3. Учет опасности лавинообразного обрушения конструкций,
обусловленной ошибками проектирования, изготовления, монтажа
или неправильной эксплуатацией сооружения	313
5

§ 7.4. Исключение или предупреждение опасности аварийных воздействий,
которым может подвергаться конструкция или объект	315
§ 7.5. Выбор оптимальных (рациональных) конструктивных решений и
материалов	315
§ 7.6. Проектирование «ключевых» элементов, способных воспринимать
аварийные воздействия в дополнение к стандартным проектным
нагрузкам и воздействиям	317
Литература	319
Глава 8. Аварийные ситуации в строительстве	321
§8.1. Общие сведения	321
§ 8.2. Причины аварийных ситуаций	324
§ 8.3. Некоторые рекомендации по снижению риска аварийных ситуаций	325
§ 8.4. Основные требования к проведению расследований аварийных ситуаций	331
Литература	334
CONTENT
Preface	9
Chapter 1. Peculiarities of the large-span buildings design	13
§1.1. General principles	 13
§ 1.2. Design phases	15
§1.3. Loads and actions	18
§ 1.4. Requirements to the design procedures	25
§1.5. Advanced research and design support	28
§ 1.6. Experience in design and construction	29
References	32
Chapter 2. Transparent roofing for the «Gostiny Dvor»	35
§2.1. General information	35
§ 2.2. Structural solution	40
2.2.1.	Plan’s and roofing’s shape	40
2.2.2.	General arranging of the structural scheme	42
2.2.3.	Analysis of the different versions for combined arch-cable systems	47
2.2.4. Numerical buckling research of the combined arch systems	53
§ 2.3. Advanced research and technical support in the design	62
2.3.1.	Loads and actions	62
2.3.2.	Numerical research of the combined arch-cable system	66
2.3.3.	Buckling problem in the combined arch-cable systems	83
§ 2.4. Fabrication and assembly of the structures. Research and technical support	93
2.4.1.	Fabrication of the bearing steel	structures	93
2.4.2.	Assembly of the bearing steel structures	94
2.4.3.	Welding	96
2.4.4.	Advanced research and technical support of the fabrication and
the assembly	98
§ 2.5. Experimental research of the large-scale fragment model of the roofing	106
2.5.1.	Model structure of the roofing	106
2.5.2.	Testing technique	110
2.5.3.	Results of the experimental research	116
References	137
6

Chapter 3. Roofing over the «Lokomotiv» stadium stands	140
§3.1. The general data	140
§ 3.2. The structural solution of roofing over the stadium stands	144
3.2.1.	Shape of plan and roofing over the stadium stands	144
3.2.2.	General layout of structural scheme	146
3.2.3.	Angular pier towers with guy lines	148
3.2.4. Cable system	150
§ 3.3. Research and technical support to the roofing design	152
3.3.1.	Loads and actions	153
3.3.2.	The static scheme to the roofing combined spatial structure over
the stadium stands	158
3.3.3. Numerical researches of the roofing structure	160
§ 3.4. Fabrication and assembly of the considered structures	164
3.4.1.	Fabrication of the bearing steel structures at factory (Belgorod ZMK)	164
3.4.2.	Cable system	166
3.4.3.	Assembly of the bearing structures	169
3.4.4.	Transparent enclosure structures	179
§ 3.5. Research and technical support for fabrication and assembly of structures	182
3.5.1.	Using of the heavy-duty and high-tensile steels	182
3.5.2.	Technical quality administration and acceptance at a stage of
fabrication and assembly for steel structures	183
3.5.3.	Research and technical support including numerical calculations of
roofing at a assembly stage	191
§ 3.6. Field observation of the basic bearing structures at a stage of assembly and
operation	195
3.6.1.	Geodetic ensuring of the steel structures assembly	195
3.6.2.	Monitoring of the bearing structures in time of building use	198
References	201
Chapter 4. Sheltered skating centre «Krylatskoe»	203
§4.1.	The general data	203
§ 4.2. The structural solution. Numerical researches of roofing			209
4.2.1.	Versions of the structural solution and elements of the roofing	209
4.2.2.	The static scheme of structures	224
4.2.3.	Numerical modeling of the system on loads of use	225
4.2.4.	Numerical modeling of the roof structures erection	227
§ 4.3.	Fabrication and assembly of structures	228
4.3.1.	Fabrication of structures	228
4.3.2.	Assembly of structures	232
§ 4.4. Research and technical support for design, fabrication and assembly of
bearing structures	244
4.4.1.	Research and technical support design	244
4.4.2.	Making up recommendations on climatic actions	246
4.4.3.	Research and technical support for fabrication and assembly of
the bearing metal structures	250
4.4.4.	Research and technical support for design, fabrication and assembly
of the combined steel- wooden roof trusses	252
4.4.5.	Experimental research of the large-scale model	253
4.4.6.	Monitoring of the bearing structures at the stages of their fabrication
and use in building	255
§ 4.5. Investigation analysis of the accidental condition of the skating centre roofing	256
References	260
7

Chapter 5. Examples of the design and assembly of some modem large-span
buildings	262
§5.1. The roofing of a training football and field athletics arena at the central
stadium of Kazan city	262
§ 5.2. The roofing of the «Ice Palace of Sports» at Khodynka	268
§ 5.3. The roof canopies above tribunes of the stadium «Trud» in the Moscow Area	273
§ 5.4. The dome and canopies at the entrance group of the airport terminals in
«Sheremetyevo-З »	277
§ 5.5. The universal sport module	284
§ 5.6. The roofing projects with company «MERO» structures	287
References	292
Chapter 6. Monitoring of the bearing structures at the stage of building
assembly and use	293
§6.1. General principles	293
§ 6.2. Program on realization of tool monitoring	298
6.2.1.	Elaboration of the set’s criteria for the control of the
stress-deformation state for the bearing structures	298
6.2.2.	Proof of the maximum values of the permissible limit displacement
of the main bearing structures in observable points	299
6.2.3.	Proof of the scheme layout and number of the observable points on
the bearing structures	300
§ 6.3. The basic stages of tool monitoring	301
6.3.1. Peculiarities of the monitoring at a stage of assembly	301
6.3.2.	Development of the automated system of monitoring in time of
building use	302
6.3.3.	Measuring methods of the snow loads	303
§ 6.4. Basic requirements on the organization of the appropriate use of the building	304
References	307
Chapter 7. Safety of the large-span buildings from progressive collapse at
accidental actions	308
§ 7.1. General principles	308
§ 7.2. Requirements to design of the large-span structures on maintenance of
their safety from progressive collapse	311
7.2.1.	Accidental design situations and actions	311
7.2.2.	Procedures for the safety of the large-span structures from progressive
collapse at accidental actions	312
§ 7.3. Considering the danger of the progressive collapse of the structures, caused
by mistakes of design, manufacturing and assembly or irregular building use	313
§ 7.4. Exclusion or prevention of the danger of accidental actions to which the
structures or building can be exposed	315
§ 7.5. Selection of optimal (rational) structural decisions and structural materials	315
§ 7.6. Design of the «key» elements, capable to perceive accidental actions in
addition to regular design loads and actions	317
References	319
Chapter 8. Accidental situations in building industry	321
§8.1. The general data	321
§ 8.2. The reasons for the accidental situations	324
§ 8.3. Some recommendations for the reduction of the risk of accidental situations	325
§ 8.4. The general requirements for the investigations of accidental situations	331
References	334
8

ПРЕДИСЛОВИЕ
Пространственные системы, получившие развитие при создании боль¬
шепролетных сооружений, отличаются конструктивной и статической
схемами, применяемыми материалами, очертанием плана, формой поверх¬
ности, пролетами, методами изготовления и монтажа.
Среди них особое место занимают комбинированные системы, вклю¬
чающие структурно объединенные растянутые элементы (ванты, тонколи¬
стовые металлические мембраны, тенты) и элементы, работающие на сжа¬
тие и изгиб. Они относятся к наиболее динамично развивающимся в по¬
следнее время у нас в стране и за рубежом прогрессивным конструктивным
формам. В комбинированных системах удается существенно уменьшить
расчетную длину сжато-изогнутых элементов за счет рационального ис¬
пользования предварительно растянутых элементов из высокопрочного
металла, улучшить работу системы на неравномерные нагрузки, сущест¬
венно уменьшить стрелу подъема конструкции. Их использование откры¬
вает широкие возможности создания большепролетных покрытий, отли¬
чающихся легкостью, высокими технико-экономическими показателями,
архитектурной выразительностью.
Область применения таких конструкций — навесы над трибунами стади¬
онов, покрытия спортивных залов, универсальных спортивно-концертных
комплексов, магазинов, рынков, выставочных павильонов и т. п.
Существует множество видов комбинированных систем, даже простей¬
шие из них отличаются большой свободой выбора конструктивной схемы,
применяемых материалов, очертания плана, пролетов, методов изготовле¬
ния и монтажа. Элементарные схемы разнообразными способами объеди¬
няются в сложные пространственные структуры.
В работе обобщен опыт проектирования, изготовления и монтажа
стальных конструкций покрытий большепролетных зданий и сооружений,
возведенных при участии ЦНИИСК им. Кучеренко в последние 10 лет. Это
объекты, построенные в Москве: светопрозрачное покрытие Старого Гос¬
тиного Двора, покрытие над трибунами стадиона «Локомотив», крытый
конькобежный центр (ККЦ) в Крылатском, Ледовый дворец спорта на Хо¬
дынке, а также футбольно-легкоатлетический манеж в г. Казани, навесы
над трибунами стадиона «Труд» в Подмосковье и т. д.
Отметим возрастающий объем подобного строительства у нас в стра¬
не и за рубежом. Это стадионы, крытые спортивные и зрелищные залы,
выставочные павильоны и т. п. В Москве проектируются и строятся
футбольные стадионы «ЦСКА», «Спартак», «Москвич» и «Динамо»,
хоккейный комплекс «Спартак», выставочный павильон на ВВЦ, здания
аэровокзалов в Шереметьево и Внуково, светопрозрачное покрытие Цен¬
трального ядра ММДЦ «Москва-сити», новый футбольный стадион в
западной части Крестовского острова в Санкт-Петербурге, Ледовый дво¬
9

рец спорта в г. Тольятти, спортивно-зрелищные залы в Астрахани и Ом¬
ске и т. д.
Приведены особенности проектирования большепролетных сооружений
на различных этапах, рекомендации по нагрузкам и воздействиям, требова¬
ния к расчетам. Даны общие сведения о проектах, конструктивное решение
различных покрытий (результаты разработки и анализ вариантов конст¬
руктивных схем), численное моделирование работы системы на эксплуата¬
ционные и монтажные нагрузки, исследования устойчивости различных
систем. Большое внимание уделено вопросам изготовления и монтажа
конструкций, содержанию и результатам работ по научно-техническому
сопровождению строительства, включая экспериментальные исследования
моделей, натурные исследования основных несущих конструкций. Под¬
робно отражены задачи мониторинга сооружений на стадии монтажа и
последующей эксплуатации, обеспечения их безопасности от лавинообраз¬
ного (прогрессирующего) обрушения при аварийных воздействиях. Рас¬
смотрены аварийные ситуации в строительстве.
Проведенные численные и экспериментальные исследования позво¬
лили по-новому осветить вопросы, связанные с действительной работой
таких покрытий, выявить дополнительные резервы повышения их эффек¬
тивности.
Предлагаемое издание является результатом разработок и исследова¬
ний, выполненных при непосредственном участии автора и под его руко¬
водством в ЦНИИСК им. Кучеренко.
В проведении исследований, разработке новых технических решений,
проектировании принимали участие сотрудники ЦНИИСК им. Кучеренко
B.	М. Барышев, Е.Ф. Бородина, И.И. Ведяков, М.И. Егоров, Д.Б. Киселев,
И.В. Лебедева, Ю.П. Назаров, П.Д. Одесский, В.А. Отставное, Н.А. Попов,
М.Р. Урицкий и др.
Проектирование, внедрение результатов исследований осуществлялось
в творческом содружестве со специалистами ряда организаций: ОАО «ГК-
Техстрой» (М.И. Кельман, А.В. Титов), «Курортпроект» (Н.В. Канчели), ГУП
МНИИП Моспроект-4 (Е.Е. Бекмухамедов, Д.В. Буш, М.Я. Лившин), ЗАО
«Сталькон» (В.Ю. Кулик, В.М. Салащенко), ОАО «Стальмонтаж» МСМУ-1
(А.Н. Выговский, Ю.А. Виноградов), ОАО «Стальмонтаж-ОПТИМ» (В.А. Ис¬
томин, В.Л. Старков, И.Г. Останин), ОАО МУ-25 «Спецстальконструк-
ция» (В.И. Федоров), ООО «Монтажспецстройпроект», г. Днепропетровск
(И.Н. Рогов), ЗАО «БСК» (Г.К. Ковалев, В.И. Хоменко), ГУП «Татинвест-
гражданпроект» (И.Э. Файзулин, В.Е. Портянкин), ЗАО «ИнтерТрансСтрой»
(А.М. Винер, В.П. Кричановский), фирма «Брайдон Лтд» (Л.Н. Васильева,
C.	А. Сквирская, Б. Мордью), фирма «БТС ГмбХ» (Ф. Рентмайстер), фирма
«Фрейссине» (Б.Л. Артюхов, С. Турнер) и др.
Автор выражает свою глубокую признательность участникам работы и
лицам, оказавшим содействие в ее выполнении.
10

PREFACE
The spatial systems which were developed under the creation of the large-
span structures vary in their structural and static schemes, applied materials,
outline of plane, with form of a surface, spans, methods of manufacturing and
installation.
The combined systems take up a special place among them. They include
structurally compound tension elements (cables, thin shit membranes, tents) and
some structural compressed and bending elements also. They belong to the most
dynamically developing progressive structural forms at in the country and
abroad.
It becomes possible for these systems to reduce essentially effective length
of the compressed — bending elements due to the rational use of the prelimi¬
nary tension members made from the high-strength metal, to improve the work
of the system to non-uniform loads, essentially reduce also rise of a structure.
Their use opens wide opportunities to create large-span structures distin¬
guished by lightness, high technical and economic parameters and architec¬
tural expressiveness.
Field of such designs application - canopies above the tribunes of stadiums,
roofing of sports hall, universal sports-concert complexes, shops, markets, exhi¬
bition halls etc.
There are a great number of the combined systems types. Even elementary of
them are remarkable for their big freedom of a choice of the constructive
scheme, used materials, outlines of the plan, spans, methods of manufacturing
and installation. Elementary schemes by various ways are united in the complex
spatial structures.
This is summarize the experience of design, manufacturing and installation
of the roofing to large-span buildings from steel structures assembled for the last
10 years with the participation of the Central Research Institute for Building
Structures (TsNIISK). These are the objects constructed in Moscow: transparent
roof for «Gostiny Dvor», a covering above tribunes of the «Locomotive» sta¬
dium, roof skating centre «Krylatskoe», «The Ice Palace of Sports» at Kho-
dynka, and also a football-athletic arena in Kazan, canopies above tribunes of
the «Trud» stadium in the Moscow Area etc.
Necessary to note the grows of the volume of the similar constructions at us
in the country and abroad. These are the stadiums, covered sports and entertain¬
ment halls, exhibition halls etc. In Moscow football stadiums «CSKA», «Spar-
tab), «Moskvich» and «Dynamo», hockey complex «Spartab), an exhibition hall
at the Exhibition Centre, buildings of air terminals in «Sheremetyevo» and
«Vnukovo», transparent shell of the Central place «Moscow - City», new foot¬
ball stadium in the western part of «Krestovskiy» island in Saint Petersburg,
«The Ice palace of sports» in Tolyatti, sports - entertainment halls in Astrakhan
and Omsk etc are projected or are under construction.
11

Particularities of designing of the large-span constructions at various stages,
the recommendations for loadings and actions, requirements to calculations are
presented, as well as the general data on projects, the structural solution of vari¬
ous coverings (results of development and the analysis of versions of design
schemes), numerical modeling of system behavior on operational and assembly
loads, researches of the various systems buckling. Big attention is given to the
questions of manufacturing and installation of structures, the maintenance and
research and technical support of constructions, including experimental re¬
searches of the models, field observation of the basic bearing structures. Objec¬
tives of constructions monitoring at a stage of installation and the building use,
maintenance of their safety from progressive collapse at accidental actions are
reflected in detail. Accidental conditions in building industry are considered.
Carried out numerical and experimental researches have allowed to take up
the questions connected to the valid work of such coverings in a new fashion and
to reveal additional reserves of increase of their efficiency.
The offered edition grows out from the developments and the researches exe¬
cuted by the author or under his management.
The author expresses deep gratitude to the participants of this work (employ¬
ees of TsNIISK and other companies), persons who have rendered assistance in
its performance.

Глава 1
ОСОБЕННОСТИ ПРОЕКТИРОВАНИЯ БОЛЬШЕПРОЛЕТНЫХ
(В ТОМ ЧИСЛЕ УНИКАЛЬНЫХ) ЗДАНИЙ И СООРУЖЕНИЙ
§ 1.1. Основные положения
В работе обобщен опыт проектирования, изготовления и монтажа
стальных конструкций покрытий большепролетных зданий и сооружений
(далее сооружений), возведенных за последние 10 лет при участии
ЦНИИСК им. Кучеренко [1.1, 1.2]. Это объекты, построенные в Москве:
светопрозрачное покрытие Старого Гостиного Двора, покрытие над трибу¬
нами стадиона «Локомотив», крытый конькобежный центр (ККЦ) в Кры¬
латском, Ледовый дворец спорта на Ходынке, а также футбольно¬
легкоатлетический манеж в г. Казани, навесы над трибунами стадиона
«Труд» в Подмосковье и т. д. Отметим возрастающий объем подобного
строительства у нас в стране и за рубежом. Это стадионы, крытые спортив¬
ные и зрелищные залы, выставочные павильоны. В Москве проектируются
и строятся футбольные стадионы «ЦСКА», «Спартак» и «Москвич», хок¬
кейный комплекс «Спартак», выставочный павильон на ВВЦ, здания аэро¬
вокзалов в Шереметьево и Внуково, светопрозрачное покрытие Централь¬
ного ядра ММДЦ «Москва-сити», новый футбольный стадион в западной
части Крестовского острова в Санкт-Петербурге, Ледовый дворец спорта в
г. Тольятти, спортивно-зрелищные залы в Астрахани и Омске и т. д.
К большепролетным сооружениям относятся покрытия пролетом
свыше 36 м. Это пространственные конструкции — сплошные и стержне¬
вые оболочки; купола; висячие вантовые, тонколистовые (мембранные) и
тентовые покрытия; стержневые пространственные конструкции (структу¬
ры); перекрестные системы; а также традиционные конструкции больших
пролетов — фермы, рамы, арки и т. п. Большепролетные конструкции мо¬
гут быть выполнены из разнообразных материалов: сталь, железобетон,
дерево, специальные ткани и пленки, в отдельных элементах могут приме¬
няться тросы, углепластик и др.
К уникальным большепролетным сооружениям относятся объекты,
характеризуемые по критерию технической сложности следующими пара¬
метрами:
-пролеты свыше 100 м, при конструктивных решениях, прошедших ус¬
пешную апробацию в практике проектирования, строительства и экс¬
плуатации;
- пролеты свыше 60 м, при принципиально новых конструктивных реше¬
ниях, требующих разработки специальных методов расчета, экспери¬
ментального исследования на физических моделях и т. п.
Уникальные, общественно значимые большепролетные сооружения име¬
ют повышенный уровень ответственности по назначению [1.24], отказы ко¬
торых могут привести к тяжелым экономическим и социальным последст¬
13

виям. В этой связи возникают дополнительные требования к номенклатуре
и объемам изысканий и проектных работ, изготовлению и монтажу конст¬
рукций, правилам их приемки и эксплуатации. При проектировании уни¬
кальных сооружений возникают проблемы, выходящие за рамки сущест¬
вующих нормативных документов. Новизна технических решений требует
от инженера-конструктора глубоких специальных знаний, нужен опыт про¬
ектирования сооружений подобного рода. В то же время инженеры не дол¬
жны быть задавлены возрастающими объемами и деталями современных
норм, они должны четко понимать факторы, лежащие в их основе. Безо¬
пасность и эффективность строительства лучше обеспечивается специали¬
стами, которые могут видеть «общую картину» и не теряются в деталях.
Большое количество информации потенциально означает большие возмож¬
ности для ошибок.
Для повышения качества проектов требуется система строгого контроля
на всех этапах проектирования, согласования, экспертизы и утверждения
проекта, а также улучшение образования инженеров-строителей. Возмож¬
но, необходимо персональное лицензирование инженеров на право проек¬
тирования уникальных сооружений. Аналогичные положения включены в
ряд национальных строительных норм. Например, в [1.38] отмечено:
«...важно, что уникальные проекты должны выполняться специалистами,
имеющими соответствующую квалификацию и практический опыт». Тре¬
бования документа [1.36] предназначены для гарантирования уровня безо¬
пасности, эксплуатационной надежности и долговечности, выполнения
необходимых этапов проектирования (строгой регламентации формальной
его части), минимизации человеческих ошибок.
Наиболее важной особенностью проектирования уникальных больше¬
пролетных сооружений является генерирование идей, основанных на твор¬
ческом потенциале инженера, который должен объединить свои профес¬
сиональные знания и опыт со способностью неограниченного созидания.
Этот процесс не может быть компьютеризирован, так как созидательные
возможности — привилегия человеческого ума, и они абсолютно необхо¬
димы для решения задач будущего проекта, тем более уникального. Ком¬
пьютеру (во всяком случае, в настоящее время) следует отвести правиль¬
ную роль — роль технического инструмента. При выборе расчетной моде¬
ли, чтобы представить поведение конструкции, очень важны предыдущий
опыт и интуиция. Это необходимо и при анализе параметров расчетной
модели и идеализированной реальной системы. Нельзя исключать исполь¬
зование различных альтернативных подходов, результаты которых могут
быть сравнены и противопоставлены.
При проектировании уникальных большепролетных сооружений вы¬
двигаемые идеи должны быть технически и экономически обоснованы.
Необходим научный комплексный подход при решении задачи выбора
приемлемых конструктивных решений, увязанных с функциональным на¬
значением, архитектурными решениями, методами изготовления и монта¬
жа, условиями эксплуатации. В полном объеме должны выполняться тре¬
14

бования надежности, технологичности и экономической эффективности,
учитываться экологические и социальные факторы.
§ 1.2. Этапы проектирования
При всей неповторимости уникальных большепролетных сооружений
их проектирование должно обязательно включать следующие стадии [1.10]:
постановка задачи, разработка и анализ вариантов технических решений,
выбор окончательного варианта, разработка проектной документации с
тщательной проверкой принятых решений. Необходимыми документами,
предшествующими проектным разработкам, являются «Техническое зада¬
ние (73)» и «Специальные технические условия {СТУ)» на проектирова¬
ние [1.27]. Эти документы должны четко формулировать постановку задач
проектирования, определять пути их решения и таким образом воздейство¬
вать на качество проекта.
В СНиП 11-01-95 достаточно подробно приведены требования к составу
«Технического задания на проектирование», основными из которых яв¬
ляются: цели и задачи проекта, функциональное назначение, архитектурно¬
планировочные решения, особые условия строительства, исходные данные
проектирования, требования по вариантной разработке и т. п.
«Специальные технические условия» являются техническими нормами,
содержащими (применительно к конкретному объекту) дополнительные тре¬
бования по надежности и безопасности к установленным (если их недоста¬
точно) или отсутствующим нормативным документам, отражающим особен¬
ности проектирования, строительства и эксплуатации объекта. При проекти¬
ровании объектов на площадках сейсмичностью более 9 баллов СТУ должны
содержать требования по обеспечению их сейсмической безопасности.
СТУ разрабатываются научно-исследовательской или проектной орга¬
низацией, обладающей опытом практической работы в соответствующей
области. Разработке СТУ предшествует определение основных объемно¬
планировочных и конструктивных решений, применяемых материалов и
изделий, а также анализ имеющейся нормативной базы в отношении кон¬
кретного объекта, который служит основой для разработки недостающих
норм или более жестких требований по определенным направлениям. По¬
сле согласования и утверждения инвестором (заказчиком) СТУ являются
нормативно-техническим документом для подготовки проектной докумен¬
тации и ее составной частью.
СТУ должны содержать следующие разделы:
-	основание для строительства, сведения об инвесторе (заказчике), гене¬
ральной проектной организации и разработчике СТУ;
-	наименование и место расположения объекта и условия строительства;
назначение и общая характеристика объекта с основными техническими
решениями;
-	данные об уровне ответственности и уникальности сооружения, расчет¬
ном сроке его эксплуатации, требования по применению и объемам
опытно-конструкторских и исследовательских работ;
15

-перечень вынужденных отступлений от действующих нормативных
документов, обоснование их необходимости и мероприятия, компенси¬
рующие эти отступления; специальные технические требования, учиты¬
вающие архитектурно-планировочные и конструктивные решения, тре¬
бования по организации строительства объекта и мониторингу.
В отдельных разделах определяются требования к пожарной безопасно¬
сти, антитеррористической защищенности объекта и т. п.
Требования, установленные СТУ, должны основываться на передовом
опыте и современных достижениях отечественной и зарубежной науки, тех¬
ники и технологии. В состав СТУ могут быть включены отдельные положе¬
ния, содержащиеся в нормативных документах зарубежных стран, при усло¬
вии их соответствия законодательству РФ. Технические требования в составе
СТУ должны быть конкретными и допускать возможность их контроля.
Наряду с обычными этапами двухстадийного проектирования («Про¬
ект» и «Рабочая документация») при разработке уникальных большепро¬
летных сооружений обязателен этап эскизного (концептуального) проекти¬
рования, который начинается с накопления максимальной, разносторонней
информации, связанной с постановкой задачи [1.1, 1.2]. На этом этапе кон¬
структор разрабатывает и анализирует эскизные варианты технических
решений совместно с другими специалистами (архитекторами, технолога¬
ми, специалистами по изготовлению и монтажу конструкций).
Концепция проекта определяется опытом и комплексным подходом, ос¬
нованными зачастую на подсознательной оценке надежности отобранных
моделей, которая должна быть подтверждена на следующих этапах анали¬
за. Концепция проекта — знание, базирующееся в основном на индивиду¬
альности авторов. В то же время успешное решение задач этого этапа пря¬
мо зависит от способности работы участников проекта в команде. Их уча¬
стие на ранних стадиях проекта эквивалентно интуитивной стратегии
проверки и «фильтрования» решений, которые могут исключить сущест¬
венную часть погрешностей.
Задача проектирования уникальных большепролетных сооружений на¬
столько комплексна, что проект не может быть выполнен единолично. Об¬
суждения с опытными специалистами на ранних стадиях проектирования
очень полезны для оценки вариантов проекта с различных точек зрения.
Сравниваются и анализируются различные решения, наилучшие из кото¬
рых, с учетом всевозможных, зачастую противоречивых, требований, от¬
кладываются для дальнейшего рассмотрения и разработки. Этот этап пред¬
полагает преодоление неопределенностей проектирования, вызванных тем,
что выбор решения, как правило, происходит в условиях неполного знания
проектируемой системы; большого количества изменчивых и противоречи¬
вых задач; субъективностью лиц, принимающих решения.
На стадии эскизного проектирования уникальных большепролетных со¬
оружений необходимо максимально использовать современные достиже¬
ния: новые типы конструкций, материалы, методы строительства. Этот этап
включает изучение и обобщение отечественного и зарубежного опыта
16

строительства, инженерный анализ большого количества аналогичных объ¬
ектов, разработку новых вариантов конструктивных предложений (исклю¬
чающих неоправданные риски), выбор основных материалов, согласование
противоречий между различными разделами проекта.
Отбор рациональных решений — конечный выбор лучшей идеи. Это
может быть или спонтанное решение, или трудоемкая разработка и оценка
накопленных идей, возможно, проверка первого вторым для оценки вы¬
полнимости. Когда найдена лучшая идея, начинается ее проверка, которая
обычно делается в форме расчетов и чертежей.
Разработка проекта требует специальных сведений о нагрузочных фак¬
торах, статической и динамической реакции сооружения на различные со¬
четания нагрузок и воздействий, устойчивости системы в целом и отдель¬
ных структурных элементов, учете геометрической, физической и конст¬
руктивной нелинейности, надежности и запасе прочности материалов,
параметрической чувствительности конструктивной системы в зависимо¬
сти от типа и степени статической неопределимости и т. п. Необходимы
опыт и четкая организация процесса проектирования, научно-техническое
обоснование разработки и реализации проекта, решение финансовых и ор¬
ганизационных вопросов.
Стадия «Проект» включает разработку основных конструктивных ре¬
шений, монтажных схем, узлов и деталей, предварительных технических
спецификаций. На этой стадии рекомендуется разработка нескольких вари¬
антов для выбора наиболее рационального по технико-экономическим и
другим показателям. Технические решения должны быть обоснованы дос¬
таточно подробными расчетами, в том числе компьютерными, на основные
сочетания нагрузок.
Состав, порядок разработки, согласования и утверждения «Рабочей до¬
кументации» установлены требованиями СНиП 11-01-95 [1.27] и включают
подробную разработку чертежей. В них входят: общие данные, сведения о
нагрузках и воздействиях, нагрузки на фундаменты, схемы расположения
элементов конструкций, чертежи элементов и узлов конструкций, специ¬
фикации материалов и изделий. Принятые проектные решения должны
удовлетворять ряду ограничений, обеспечивающих выполнение условий
прочности, устойчивости и деформативности отдельных элементов и сис¬
темы в целом; требованиям нормативных документов, сортаментов, техно¬
логических регламентов на изготовление, транспортировку и монтаж кон¬
струкций.
Отметим, что для стандартных объектов государственная экспертиза
выполняется только на стадии «Проект». Для уникальных большепролет¬
ных сооружений справедливо предложение [1.22] проведения независимой
экспертизы (включая выполнение полноценного поверочного расчета) за¬
конченной рабочей документации перед сдачей ее в производство. Ее цель
повысить качество проекта, исключить возможные ошибки, снизить веро¬
ятность возникновения аварийных ситуаций. Здесь свою роль могло бы
сыграть обязательное страхование строительных рисков.
2 Заказ 1067
17

§ 1.3. Нагрузки и воздействия
Уникальные большепролетные сооружения должны воспринимать лю¬
бые виды нагрузок, определенные «Техническим заданием на проектиро¬
вание», включая неравномерно распределенные временные нагрузки, ста¬
тические и динамические нагрузки в виде грузов — сосредоточенных, по¬
лосовых, распределенных на небольшой площади, в случае необходимости
и динамические воздействия, в том числе сейсмические.
Зачастую большепролетные покрытия находятся под действием только
собственного веса, нагрузок от снега и ветра. К ним могут добавляться:
предварительное натяжение, монтажные нагрузки, вызывающие дополни¬
тельные усилия, суммирующиеся с эксплуатационными нагрузками, голо¬
ледные и температурные воздействия, технологические нагрузки (от обо¬
рудования, подвесных потолков и т. п.), для которых необходимо учиты¬
вать возможное их увеличение в процессе длительной эксплуатации,
реконструкции или модернизации сооружения. Некоторые большепролет¬
ные покрытия (например, висячие) имеют относительно небольшую собст¬
венную массу и незначительную изгибную жесткость. В этом случае не¬
равномерные снеговые и ветровые нагрузки могут вызвать достаточно
большие локальные, в том числе кинематические, деформации покрытия,
привести к потере его устойчивости или к расстройству кровли. Это требу¬
ет достаточно точного учета распределения и величин климатических на¬
грузок.
Разработка рекомендаций по определению климатических (снег,
ветер) нагрузок на основании продувок модели сооружения в аэроди¬
намической трубе. Для большепролетных покрытий с пространственной
формой поверхности в нормативных документах в большинстве случаев
отсутствуют данные по климатическим нагрузкам. В то же время этому
вопросу посвящено достаточно много специальной литературы [1.4, 1.9,
1.11, 1.12, 1.13, 1.14, 1.15, 1.19,1.20, 1.21, 1.28, 1.29], где представлен значи¬
тельный опыт теоретических, экспериментальных и натурных исследова¬
ний нагрузок на пространственные покрытия разнообразной формы.
Для таких сооружений в большинстве случаев необходима разработка
рекомендаций по определению снеговых и ветровых нагрузок на основании
продувок модели сооружения в специализированной аэродинамической
трубе. Анализ современных данных по этому вопросу показывает, что ве¬
личина и распределение аэродинамических характеристик сооружения су¬
щественно зависят от характера и структуры набегающего потока (погра¬
ничного слоя атмосферы). Поэтому испытания следует проводить в аэро¬
динамических установках, позволяющих моделировать действительные
ветровые воздействия. Это требование отражено в современных нормах
большинства стран [1.31, 1.33, 1.35, 1.40].
Подобные аэродинамические трубы должны обладать длинной гори¬
зонтальной рабочей частью [1.19]. Например, труба АТ-17,5/3 фирмы
УНИКОН (г. Новосибирск) имеет длину рабочей части 17,5 м, а выходное
18

прямоугольное сечение сопла 2x1,5 м (высота). При необходимости рабо¬
чая часть может быть открыта на длине 3,1 м. Наличие длинной рабочей
части позволяет моделировать структуру реальных ветровых режимов, в
том числе изменение средней скорости ветра по высоте, структуру и
масштаб турбулентности пульсационной составляющей скорости ветра.
Поток в трубах с длинной горизонтальной частью формируется за счет
тех же механизмов, что и ветер в естественных условиях, в результате
взаимодействия с поверхностью пола трубы и за счет обтекания располо¬
женных на ней препятствий (городская застройка, лесные массивы и
т. п.). Меняя размеры и взаимное расположение элементов шероховатости
на полу трубы, можно получать различные градиентные потоки, в том
числе и соответствующие местностям типа А, В или С (по классификации
СНиП 2.01.07-85*).
Для выполнения работ изготавливается модель исследуемого сооруже¬
ния с соблюдением геометрического подобия. Модель делается из дерева,
листового полистирола, поливинилхлорида и оснащается датчиками, по¬
зволяющими измерять среднюю составляющую давления. Датчики (прием¬
ники давления) устанавливаются с учетом симметрии сооружения.
В пространственных большепролетных покрытиях возможно местное
накопление снега, образование снеговых мешков, нагрузка от которых мо¬
жет в несколько раз превышать нормативные величины. Моделирование
переноса снега в аэродинамической трубе дает возможность получить ка¬
чественную характеристику возможных отложений снега на покрытиях
сложной формы при разных направлениях ветра [1.12, 1.13]. Модель зда¬
ния покрывается равномерным слоем имитатора снега — древесной мукой
толщиной порядка 1 мм и устанавливается под различными углами в рабо¬
чей части трубы. После этого осуществляется ее продувка при скоростях
потока, плавно возрастающих от нуля до 3^-4 м/с. Скорость воздушного
потока, соответствующая началу отрыва и переносу частиц модельного
материала, зависит от его качества и формы покрытия. При влажности дре¬
весной муки порядка 7 %, размере частиц 0,1-^0,2 мм перенос «снега» воз¬
никает, при скоростях ветра 2-^2,5 м/с, что определяется визуально. Про¬
дувка продолжается при постоянной скорости воздушного потока до ста¬
билизации «снегоотложений». Далее скорость ветра увеличивается на
0,25 -г-0,5 м/с и указанные выше операции повторяются. Обычно при скоро¬
стях потока до 3^4 м/с, удается выявить наиболее неблагоприятные усло¬
вия: снос «снега» с отдельных участков покрытия, зоны и величину его
возможного накопления. В сочетании с расчетом переноса снега и сопос¬
тавления с известными условиями формирования снеговых нагрузок эта
методика позволяет при различных углах направления потока уточнить
интенсивность сноса снега с наветренных участков покрытия и повышен¬
ных отложений (снеговых мешков) в области падения скоростей ветрового
потока, где действует ветровой отсос. Типичная несимметричная схема
нагружения покрытия, когда на наветренной стороне «снега» мало, а на
заветренной он остается в значительном объеме [1.13].
2'
19

Известно, что интенсивность переноса снега по покрытию пропорцио¬
нальна кубу скорости ветра (v3), а количество перемещаемого снега по раз¬
личным направлениям — пропорционально повторяемости ветров (zwv3).
Учитывается, что зимы по количеству выпадающего и переносимого по
покрытию снега в различных регионах весьма неоднородны. Например, в
центральных областях количество выпадающих за зиму твердых осадков
колеблется от 0,5 до 2,0 кПа (50+200 кгс/м2), а переносимых по поверхно¬
сти покрытия — от 10 до 70 %. Ориентация модели по отношению к на¬
правлениям «ветра» выбирается с учетом наиболее вероятных ветровых
потоков в зимнее время.
Снеговые нагрузки. Для климатических условий России снег зачастую
составляет существенную долю в суммарных нагрузках на покрытии. Это
тем более характерно для большепролетных оболочек. Расчетные значения
веса снегового покрова, превышаемые один раз в 25 лет, принимаются по
СНиП 2.01.07-85* [1.24]. Для обеспечения повышенной надежности конст¬
рукций большепролетных покрытий в расчетах рекомендуется учитывать
коэффициент надежности по ответственности. При уп= 1,2 такая нагрузка
соответствует количеству снега, выпадающего один раз в 100 лет с учетом
15 % сноса с покрытий малых уклонов (фактический снос составляет
30+40%) [1.12].
При определении снеговой нагрузки используется коэффициент р для
перехода от веса снегового покрова на земле к нагрузке на покрытии, учи¬
тывающий возможное перераспределение массы снега на покрытии в зави¬
симости от его формы. Здесь следует обратить внимание, что, несмотря на
пространственную форму покрытия (в ряде случаев провисающую форму),
суммарная нагрузка на таких покрытиях не может быть выше, чем на уров¬
не земли при той же площади поверхности.
В качестве первого варианта во всех случаях принимается равномерное
распределение снега всей площади покрытия с интенсивностью нагрузки,
определяемой коэффициентом ц = 1. Это значение коэффициента р опреде¬
ляет нагрузку в условиях малых скоростей ветра с минимальным сносом
снега с покрытия. Такое загружение в большинстве случаев обеспечивает
эксплуатационную прочность конструкции покрытия.
В ряде публикаций [1.23] для большепролетных покрытий предлагает¬
ся принимать увеличенную, по отношению к СНиП 2.01.07-85*, расчет¬
ную снеговую нагрузку. В частности, в Московском регионе эту нагрузку
рекомендуется увеличить до 3 кПа (300 кг/м2). Ошибка этого предложе¬
ния состоит в том, что одну из четырех возможных условных интерполя¬
ционных зависимостей максимумов веса снегового покрова используют
как экстраполяционную на 100-летний период, с применением статисти¬
ческих параметров, полученных по данным 50-летних наблюдений. Ис¬
пользование других зависимостей и параметров уменьшает результаты в
1,5+4 раза. Это предложение противоречит физической сущности назна¬
чения климатических нагрузок, не отвечает результатам многолетних ста¬
тистических наблюдений, не соответствует никаким российским или за¬
20

рубежным техническим документам. Такой формальный подход на осно¬
ве приближенных математических зависимостей не может считаться на¬
учно обоснованным [1.8].
При проектировании большепролетных покрытий необходимо учиты¬
вать возможность сползания снега. Пространственные покрытия зачастую
имеют уклон во внешнюю сторону порядка 10 градусов и выше и поверх¬
ность с низким коэффициентом трения (менее 0,02 в паре снег—покрытие),
при оттепелях этот коэффициент снижается до нуля. Сползание снега с по¬
крытия может создавать угрозу для находящихся вблизи сооружения людей.
В связи с этим рекомендуется устройство низкопрофильного барьера по
краю покрытия высотой не менее 0,3 м с устройством просвета 7-^10 см
между барьером и кровлей. Для провисающих покрытий сползание снега к
его центру приводит к необходимости рассматривать схемы снеговой на¬
грузки с коэффициентом р, равным нулю по периметру покрытия, а в сред¬
них зонах этот коэффициент, определяемый исходя из равенства суммарно¬
го объема снега, может достигать значений, равных двум и более [1.12].
Ветровые нагрузки. Знание ветровых нагрузок при проектировании,
необходимо в первую очередь для обеспечения общей устойчивости со¬
оружения, а также при расчете отдельных конструктивных элементов.
В ЦНИИСК им. Кучеренко проанализированы результаты испытаний ряда
моделей пространственных покрытий, даны рекомендации по значениям
аэродинамических коэффициентов [1.28].
При расчетах большепролетных покрытий в большинстве случаев
должна учитываться динамическая составляющая ветровой нагрузки, вы¬
зываемая пульсациями скоростного напора и приводящая к колебаниям
всей конструкции [1.17]. В некоторых случаях не менее опасной может
оказаться нагрузка, вызываемая пульсацией срывающихся вихрей, частота
срыва которых может оказаться близкой к частоте собственных колебаний
конструкции. При наступлении «ветрового резонанса» амплитуды колеба¬
ния покрытия резко возрастают. Кроме того, при определенных скоростях
ветра может возникнуть аэродинамическая неустойчивость (галлопирова-
ние или флаттер), при которой частота колебаний также совпадает с собст¬
венной частотой конструкции, а их амплитуда непрерывно возрастает с
повышением скорости потока. Рассмотренные выше явления весьма слож¬
ны и мало изучены, требуют дальнейшей разработки, особенно в части экс¬
периментальных исследований.
Усилия и перемещения от действия пульсационной составляющей wg
ветровой нагрузки, как правило, должны определяться численным динами¬
ческим расчетом сооружения с использованием соответствующих методик
расчета [1.17, 1.18] и программных комплексов. Кроме того, в этих целях
могут быть использованы результаты соответствующим образом организо¬
ванных модельных аэродинамических испытаний сооружений.
На предварительных стадиях проектирования пульсационную состав¬
ляющую ветровой нагрузки, действующей в горизонтальном направлении,
допускается определять по формуле
21

(1.1)
Wg = wmC(*)v£;
где: wm — средняя составляющая нагрузки; £(z) — коэффициент, учиты¬
вающий изменение пульсационной составляющей давления ветра на высо¬
те z (см. п. 6.7 и табл. 7 СНиП 2.01.07-85* [1.24]); v = 0,65 — коэффициент
корреляции пульсаций давлений; £ — коэффициент динамичности, опреде¬
ляемый в соответствии с указаниями п. 6.7,6 СНиП 2.01.07-85* [1.24], в
зависимости от низших собственных частот сооружения в горизонтальном
направлении. Полученные таким образом расчетные значения ветровой
нагрузки могут быть использованы для оценки прочности несущих конст¬
рукций сооружения, а также воздействий, передаваемых на его фундамент
и основание.
При проектировании несущих конструкций покрытия рекомендуется
использовать такие конструктивные решения, при которых его низшая соб¬
ственная частота f\ в вертикальном направлении превышает 1,0 Гц. В этом
случае пульсационную составляющую ветровой нагрузки, действующей на
покрытие, допускается определять по формуле (1.1), где 2;= 1,2, а коэффи¬
циент корреляции v определяется по табл. 9 СНиП 2.01.07-85* [1.24] в за¬
висимости от грузовой площади, с которой собирается рабочая нагрузка.
В случае, если частота f\ < 1,0 Гц, для оценки динамической реакции по¬
крытия в вертикальном направлении необходимо использовать специаль¬
ные методы расчета. В приближенных расчетах влияние динамической со¬
ставляющей ветра можно учитывать повышающим коэффициентом.
Температурные климатические воздействия. В случаях, преду¬
смотренных нормами, учитывается перепад температуры (изменение во
времени), определяемый в соответствии с требованиями разд. 8 СНиП
2.01.07-85* [1.24]. Температура конструкции определяется для двух случаев:
для летнего периода (при необходимости с учетом ее нагрева вследствие
солнечной радиации) и для зимнего периода. При неизвестной температуре
замыкания пространственной конструкции учитываются экстремальные пе¬
репады температур. Различают отапливаемые и неотапливаемые (открытые)
сооружения и конструкции, защищенные или не защищенные от воздействия
солнечной радиации. Прирост температуры вследствие нагрева солнцем кон¬
струкций, не защищенных от солнечной радиации, определяется в зависимо¬
сти от величины суммарной солнечной радиации для широты стройплощад¬
ки по табл. 4 и 5 СНиП 23-01-99 [1.25], с учетом коэффициента поглощения
солнечной радиации для материала наружной поверхности — по приложе¬
нию 7 СНиП П-3-79* [1.26]; коэффициентов, определяемых видом и ориен¬
тацией поверхности и материалом конструкции сооружения, — по табл. 17
и 18 СНиП 2.01.07-85* [1.24].
Гололедные нагрузки. На элементах большепролетных покрытий, в ча¬
стности вантовых систем, возвышающихся над поверхностью земли на
20^50 м, могут образовываться отложения гололеда (снежно-ледовой мас¬
сы с объемным весом от 0,3 до 0,8 г/см3). С точки зрения нагрузки, гололед
несоизмеримо мал по сравнению с нагрузками от собственного веса конст-
22

рукций и снега и в большинстве случаев не требует специального учета.
В то же время отложения гололеда, например на вантах, существенно ме¬
няют их аэродинамические характеристики. При оценке надежности кров¬
ли должна учитываться возможность падения на нее кусков гололедных
отложений [1.6].
В качестве примера приведем расчеты, сделанные применительно к
вантовому покрытию над трибунами стадиона «Локомотив». Толщина воз¬
можных отложений гололеда на элементах подвесной системы (вантах) в
соответствии с табл. 11 и 13 СНиП 2.01.07-85* [1.24] для условий г. Москвы
на высоте 10 м от поверхности земли составляет 5 мм, а на высоте 30 м —
7 мм. При периметре троса порядка 50 см и площади поверхности одного
погонного метра 5000 см2 масса гололедных отложений примерна равна
31,5 кг, вес одного «куска» гололеда при его «отвале» с половины погонно¬
го метра — 10 кг. Учитывая приближенность указанных выше оценок, ре¬
комендуется выполнять натурные наблюдения в период первых лет экс¬
плуатации сооружения с выполнением дополнительных страховочных ме¬
роприятий в случае их необходимости [1.12].
Сейсмические воздействия. Конструкции зданий с большепролетны¬
ми покрытиями, проектируемые для строительства в сейсмических рай¬
онах, должны удовлетворять расчетам на особое сочетание нагрузок с уче¬
том сейсмических воздействий. Большепролетные конструкции в большин¬
стве случаев обладают незначительным собственным весом, при этом их
работа в плоскости покрытия приближается к жесткому диску. Все это оп¬
ределяет сейсмостойкость рассматриваемых систем.
Как известно, сейсмические силы в пространстве могут быть направле¬
ны произвольно. Для обычных зданий они, как правило, принимаются дей¬
ствующими горизонтально. Большепролетные покрытия разнообразны по
форме в плане и конструктивным решениям, и для них необходимо рас¬
сматривать любое возможное направление сейсмической волны по отно¬
шению к сооружению. В них, ввиду относительно малого затухания, необ¬
ходимо учитывать также и вертикальную составляющую сейсмического
воздействия. Динамическая расчетная модель покрытия принимается в ви¬
де системы с распределенной вертикальной нагрузкой или в виде системы
дискретных масс, связанных с покрытием.
Вертикальные несущие конструкции сооружения рассчитываются на
горизонтальные сейсмические нагрузки. Расчетная схема сводится, как
правило, к системе с одной степенью свободы, с массой, сосредоточенной в
уровне покрытия. Жесткость покрытия в горизонтальной плоскости при¬
нимается бесконечной, а колонны, стены, пилоны, связевые блоки и другие
вертикальные несущие конструкции — жестко заделанными в фундаментах
и шарнирно присоединенными к покрытию.
При расчете зданий пролетом более 36 м кроме горизонтальной сейсми¬
ческой нагрузки учитывается крутящий момент относительно вертикальной
оси здания, проходящей через центр жесткостей. Величина расчетного экс¬
центриситета между центрами масс и жесткостей в уровне покрытия здания
23

принимается по фактическим данным, но не менее 0,022?, где В — размер
здания в направлении, перпендикулярном действию сейсмической силы.
При выборе конструктивных решений необходимо обеспечивать сни¬
жение сейсмических нагрузок за счет уменьшения массы несущих и ограж¬
дающих конструкций. Особое внимание следует уделять обеспечению чет¬
кой передачи инерционных нагрузок с покрытия на вертикальные несущие
конструкции и фундаменты, надежности работы несущих конструкций и их
сопряжений, обеспечению жесткости покрытия в горизонтальной плоскости.
Учет сочетаний нагрузок. При определении расчетных величин на¬
пряжений и перемещений конструкций с учетом сочетаний нагрузок и воз¬
действий рекомендуется руководствоваться примечанием к п. 1.12 СНиП
2.01.07-85* [1.24], в соответствии с которым: в основных сочетаниях (т. е.
на воздействия нагрузок от собственного веса, снега, ветра и температуры)
при учете трех и более кратковременных нагрузок их расчетные значения
следует умножать на коэффициенты ц/2, принимаемые для первой (по сте¬
пени влияния) кратковременной нагрузки — 1,0, для второй — 0,8, для ос¬
тальных — 0,6.
В этом случае неблагоприятные усилия в конструкции определятся из
их расчета на нижеуказанные комбинации расчетных значений нагрузок:
G — собственный вес конструкций; S — снеговые нагрузки; W — ветровые
нагрузки; Т — температурные воздействия. Рекомендуемые значения ко¬
эффициентов сочетаний представлены в табл. 1.1. При расчете на сочета¬
ния климатических воздействий необходимо составить реально возможные
комбинации (например, в случае учета изменения температуры в летний
период их нельзя сочетать со снеговыми нагрузками и т. д.).
Таблица 1.1
Варианты коэффициентов сочетаний нагрузок \|/2
Варианты сочетаний
нагрузок
Коэффициенты сочетаний нагрузок \|/2
I
G= 1,0
S= 1,0
II
©
00
Г =0,6
II
G = 1,0
T= 1,0
5 = 0,8
W= 0,6
III
G = 1,0
W= 1,0
00
o'
II
S = 0,6
IV
G= 1,0
S= 1,0
II
p
00
W= 0,6
V
G= 1,0
Г= 1,0
II
p
00
5 = 0,6
VI
G= 1,0
W= 1,0
S = 0,8
Г =0,6
Так как пространственные большепролетные конструкции относятся к
системам, в которых в большинстве случаев необходимо учитывать гео¬
метрическую нелинейность, при их расчете неприменим принцип незави¬
симости действия сил, и поэтому их приходится рассчитывать на одновре¬
менное совместное воздействие различных нагрузок.
24

Повышенный уровень ответственности таких сооружений следует учи¬
тывать, применяя коэффициент надежности не менее 1,2 [1.7, 1.24]. Вопро¬
сы аварийных воздействий рассмотрены в главе 7.
§ 1.4. Требования к расчетам
В расчетах уникальное большепролетное сооружение следует рассмат¬
ривать как единую пространственную систему, включающую основание,
фундаменты, каркас, покрытие, с учетом продольных, изгибных и крутиль¬
ных жесткостей основных, а в ряде случаев и второстепенных элементов;
их проектных связей, узловых эксцентриситетов и т. д. Расчеты, подтвер¬
ждающие надежность системы, проводятся на статические и динамические
нагрузки и воздействия на конструкцию и ее элементы в процессе возведе¬
ния и эксплуатации. Важным этапом расчета сооружений является провер¬
ка их общей и местной пространственной устойчивости.
На стадии концептуального проектирования обычно не требуются ка¬
кие-либо расчеты, так как конструктивные размеры принимаются грубо,
исходя из существующего опыта. Но на следующей стадии выполняются
приближенные вычисления, чтобы получить размеры сечений основных
элементов. При вариантном и рабочем проектировании для больших вы¬
числений пользуются компьютером. При вариантном проектировании
обычно выполняется большое количество расчетов для поиска оптималь¬
ной конструктивной схемы, рациональных соотношений геометрических и
жесткостных параметров элементов системы. На этом этапе расчетов реко¬
мендуется процесс понижения сложной, высоко избыточной структурной
задачи к упрощенной схеме с последующим усложнением системы за счет
последовательного присоединения новых элементов или их блоков и иссле¬
дования их влияния на работу конструкции. На стадии рабочего проектиро¬
вания выполняются поверочные расчеты с учетом всех возможных сочета¬
ний нагрузок. Специальное внимание следует уделять расчетам и конструи¬
рованию узлов, выполняя их равнопрочными сопрягаемым элементам.
Численные методы, ориентированные на широкое использование совре¬
менной вычислительной техники (с высоким быстродействием, большой
памятью и развитой системой внешних устройств), открывают возможно¬
сти успешного решения задач расчета сложных систем с достаточной для
практического применения точностью. Их использование позволяет учесть
различные виды нагружений и воздействий, конструктивные особенности
системы (геометрию поверхности, переменные толщины, наличие элемен¬
тов подкрепления, проемов, фактические свойства материалов, местное
изменение жесткости и т. п.). При этом в большинстве случаев, применя¬
ются современные апробированные стандартные вычислительные ком¬
плексы. Для повышения надежности результатов расчеты рекомендуется
проводить с использованием различных программ с сопоставлением и ана¬
лизом полученных данных.
Однако использование компьютера, позволяющего оперировать огром¬
ными массивами чисел, имеет и обратную сторону, растет риск ошибок.
25

Сегодня инженеры зачастую пользуются компьютером прежде, чем они
получают ясное понимание работы сооружения в целом и отдельных его
элементов в системе. В то же время такое понимание, на базе предвари¬
тельного анализа упрощенных схем приближенными методами, основанное
на правилах строительной механики, — единственный путь безопасного
взаимодействия инженера с компьютером. Вслепую расшифровывать чис¬
ленные результаты без первоначальных знаний порядка ожидаемых рас¬
четных величин просто недопустимо. Компьютер — несомненно, огромная
помощь для инженеров на всех этапах проектирования. Однако прибли¬
женные вычисления должны использоваться и в будущем, в том числе для
быстрой достоверной проверки компьютерных расчетов и оценки основ¬
ных решений. Переопределенная уверенность в компьютерных расчетах с
несовершенной моделью может привести к серьезным ошибкам.
Компьютерный расчет должен охватывать все варианты возможных от¬
казов. Если это невыполнимо (например, трудность включения в компью¬
терную модель узлов, граничных условий, фактических параметров свойств
материалов и т. п.), контроль необходимо выполнять обычными методами.
При минимизации конструкции необходимо оставлять резерв запаса на
ошибки, в первую очередь для ключевых несущих элементов.
В большинстве случаев расчеты уникальных большепролетных соору¬
жений выполняются в нелинейной постановке. Расчеты рекомендуется вы¬
полнять с учетом неупругих деформаций, деформаций усадки и ползучести
бетона и т. п., приводящих к изменению геометрии системы в процессе
длительной эксплуатации. Кроме того, в железобетонных элементах следу¬
ет учитывать образование трещин на участках, где он работает на внецен-
тренное сжатие с большими эксцентриситетами, приводящее к местному
снижению его изгибной жесткости и соответственно величин изгибающих
моментов. При учете неупругих деформаций расчет выполняется в физиче¬
ски нелинейной постановке.
При расчете узлов в местах скачкообразного изменения геометрии и
жесткости сопрягаемых элементов возникают локальные пиковые значения
напряжений, превышающие предел текучести. В связи с тем, что коррект¬
ный расчет сложных узловых соединений обычными методами затруднен и
не регламентирован нормами, они моделируются в расчетах МКЭ пластин¬
чатыми или объемными конечными элементами.
Для учета реальной работы соединений в расчет МКЭ следует вводить
нелинейную диаграмму материала а—е. В большинстве случаев расчеты
выполняются на основе идеализированной упругопластической диаграммы
Прандтля. В то же время эти расчеты могут выполняться с учетом нели¬
нейной диаграммы материала ст—е, приведенной в табл. 1.2.
В результате расчета с учетом физической нелинейности определяют¬
ся зоны пластических деформаций, которые должны быть оценены с точ¬
ки зрения несущей способности соединения. При этом предполагается
обязательное применение сталей с повышенными требованиями к их пла¬
стичности.
26

Таблица 1.2
Нелинейная диаграмма материала а—б
eE/Ry
0
0,800
1,000
1,200
1,400
1,700
35,033
o/Ry
0
0,800
0,905
0,964
0,991
1,000
1,500
Возможно использование различных вариантов ограничений локальных
зон развития пластических деформаций и их величин. Пластические де¬
формации в расчетах могут ограничиваться значениями относительных
удлинений г = 4^5 %, а их развитие допускается лишь на небольшой пло¬
щади (не более 5 % площади фасонки или детали). В другом варианте ло¬
кальные зоны развития пластических деформаций не должны превышать
10 % площади поперечного или продольного сечения фасонки или детали,
а среднее значение относительных пластических деформаций в этой зоне
ограничивается величиной е < 0,5 %. Оба подхода эмпирические и требуют
дальнейших исследований.
Узлы, в которых возникают пластические деформации противополож¬
ных знаков (при двух возможных сочетаниях расчетных нагрузок и воздей¬
ствий), подлежат дополнительной проверке на малоцикловую усталость.
Геометрическая нелинейность в стандартных программах численных
методов расчета в большинстве случаев реализуется линеаризацией задачи
шаговым методом. Одной из проверок правильности выбора количества
шагов и величины приращения нагрузок является примерное равенство
приращения деформаций покрытия на каждом этапе нагружения. Более
точную оценку можно получить численным экспериментом. Для большин¬
ства задач расчета шаговыми методами графики зависимости параметров
от нагрузки представляют собой ломаную линию, приближающуюся с
одной стороны к плавной кривой, отражающей действительную геомет¬
рически нелинейную работу системы. Однако в ряде случаев результаты
расчета пространственных систем, отличающихся сильной нелинейно¬
стью, на каждом из этапов оказываются по разные стороны от графика
действительной нелинейной работы системы. Причем расхождения, осо¬
бенно на первых этапах, могут быть значительными, вплоть до перемены
знака. В нелинейных расчетах неприменим принцип независимости дей¬
ствия сил, систему приходится рассчитывать на одновременное совмест¬
ное воздействие различных сочетаний нагрузок, учитывающих в том чис¬
ле последовательность монтажа конструкций и изменяющуюся при этом
расчетную схему.
При расчетах следует учитывать не только статическую, но и динамиче¬
скую реакцию большепролетного сооружения на воздействия ветра с уче¬
том статических, квазистатических и резонансных вкладов. Повышенная по
сравнению с традиционными конструкциями легкость и деформативность
большепролетных покрытий определяет их чувствительность к динамиче¬
ским воздействиям. Динамический расчет таких систем усложнен ввиду их
27

пространственной работы, геометрической и физической нелинейности,
существенного влияния податливости основных элементов и т. д. Необхо¬
димо выполнять проверку резонансного воздействия ветра и в случае необ¬
ходимости проводить расчет на выносливость для исключения усталостных
разрушений элементов. Отметим, что динамическую реакцию, возбуждае¬
мую ветром, можно существенно снизить конструктивными мероприятия¬
ми, например, введением в систему дополнительных оттяжек или демпфи¬
рующих устройств. Конструкцию и их элементы следует проектировать с
применением технических решений, не вызывающих значительной концен¬
трации напряжений.
Составление расчетной схемы сооружения, представляющей идеализи¬
рованную модель, максимально приближенную к натурной системе, —
важнейший этап проектирования, позволяющий отыскать наиболее рацио¬
нальные решения, обеспечивающие надежность конструкции и экономию
материалов. При выборе расчетной модели очень важны предыдущий опыт
и интуиция. Это верно при рассмотрении и характеристик модели и идеа¬
лизируемой реальной конструкции. Рекомендуется использование различ¬
ных альтернативных подходов для сравнения результатов.
После окончания строительства уникальных объектов в ряде случаев
рекомендуется проведение дополнительных проверочных расчетов с уче¬
том фактических свойств системы, чтобы определить, насколько конструк¬
ция далека от предельного состояния. С учетом этой информации расчет¬
ная модель, используемая в проекте, может быть максимально приближена
к реальной.
§ 1.5. Научно-техническое сопровождение
Проектирование уникальных большепролетных сооружений предпола¬
гает обязательное комплексное научно-техническое сопровождение, кото¬
рое включает: упомянутые ранее продувки макета сооружения в аэродина¬
мической трубе и разработку рекомендаций по назначению снеговых и вет¬
ровых нагрузок; в случае необходимости изготовление и исследование
физической модели сооружения; разработку методики расчета, составление
и исследование расчетной схемы сооружения, выполнение поверочных
расчетов.
Кроме того, научно-исследовательские и специализированные органи¬
зации привлекаются для научного сопровождения при изготовлении и мон¬
таже конструкций. Задачами этого раздела являются: разработка «Техниче¬
ских условий на изготовление, монтаж и приемку металлоконструкций»,
содержащих основные положения показателей качества, а также методы их
контроля; в ряде случаев назначение в конструкции проката с более высо¬
кими рабочими свойствами, чем в требованиях СНиП И-23-81*; проведение
технического контроля качества проката; контроль и приемка металлокон¬
струкций при их изготовлении и монтаже, монтажных болтовых и сварных
соединений; анализ результатов научно-технического контроля изготовле¬
ния, монтажа и приемки конструкций с выводами и предложениями.
28

Научно-исследовательские и специализированные организации разраба¬
тывают рекомендации по обеспечению жизнеспособности сооружения при
экстремальных ситуациях, в том числе противопожарные и антитеррори-
стические мероприятия; проводят мониторинг основных несущих конст¬
рукций на стадии возведения и эксплуатации сооружения. Последнее необ¬
ходимо для получения адекватной и систематической обратной связи, кон¬
троля поведения конструкций, обеспечения долговечности объекта.
Экспериментальные исследования на крупномасштабных моделях, а в
некоторых случаях на натурных объектах, выполняются с целью выявления
действительного напряженно-деформированного состояния рассматривае¬
мых систем, оценки надежности методики расчета, обоснованности приня¬
тых исходных предпосылок. Кроме того, ставятся задачи эксперименталь¬
ного исследования таких сторон работы конструкций, которые трудно под¬
даются решению математическими методами и где необходим синтез
теории и эксперимента.
Важны исследования по оптимизации уникальных большепролетных
сооружений, которые сводятся к подготовке рекомендаций по выбору ра¬
ционального варианта конструктивной схемы и оптимальных геометриче¬
ских соотношений и жесткостных параметров основных элементов покры¬
тий. Комплексное проектирование уникальных сооружений можно пред¬
ставить как сумму различных требований в виде показателей качества:
конструктивно-технологических, экономических, производственно-техни¬
ческих, функциональных и социальных. Исследования уникальных соору¬
жений с большепролетными покрытиями выявили, что их напряженно-
деформированное состояние и технико-экономические показатели зависят
от ряда основных варьируемых параметров проектирования: конструктив¬
ной схемы, начальной геометрии, жесткости элементов (геометрических
размеров сечения, физико-механических свойств материала, процента ар¬
мирования и т. п.). Остальные параметры являются заданными: тип покры¬
тия, габаритные размеры здания (пролет, высота до низа покрытия), вели¬
чины и характер распределения климатических, технологических и других
нагрузок и воздействий. Варьируемые параметры проектирования в силу
статической неопределимости и геометрической нелинейности системы
взаимоувязаны и оказывают зачастую противоречивое влияние на эконо¬
мические показатели конструкции.
§ 1.6. Опыт проектирования и строительства
К наиболее динамично развивающимся в последнее время у нас в стра¬
не и за рубежом прогрессивным конструктивным формам относятся про¬
странственные комбинированные системы. Их применение открывает ши¬
рокие возможности создания покрытий, отличающихся надежностью, лег¬
костью, высокими технико-экономическими показателями, архитектурной
выразительностью. Комбинированные системы включают структурно объ¬
единенные растянутые элементы (ванты) и элементы, работающие на сжа¬
тие и изгиб. В комбинированных системах удается существенно уменьшить
29

расчетную длину сжато-изогнутых элементов за счет рационального исполь¬
зования растянутых, при необходимости, предварительно напряженных эле¬
ментов из высокопрочного металла, улучшить работу системы на неравно¬
мерные нагрузки, существенно уменьшить стрелу подъема конструкции.
Существует множество видов комбинированных систем [1.39]. Отметим,
что даже простейшие схемы отличаются большой свободой выбора исход¬
ных параметров: конструктивной схемой, применяемыми материалами,
очертанием плана, пролетами, методами изготовления и монтажа, а также
очертанием сжатых и растянутых поясов, соотношением высоты и пролета
конструкции, расположением и количеством дополнительных стержневых
элементов (стоек, подвесок и т. д.). Элементарные схемы разнообразными
способами объединяются в сложные пространственные структуры [1.5,1.30].
Достижения в области строительной механики и вычислительной техни¬
ки, разработки и исследования новых конструктивных форм, строительных
материалов, технологии изготовления и монтажа создали предпосылки для
широкого применения современных комбинированных систем. В то же вре¬
мя объем их применения в нашей стране невелик, что определяется рядом
факторов, в том числе отсутствием детальных теоретических и эксперимен¬
тальных исследований их действительной работы, рекомендаций по конст¬
руированию и расчету, обеспечивающих высокую надежность и экономич¬
ность конструкций. В связи с этим проведены комплексные исследования
комбинированных покрытий, включающие решение следующих задач.
1.	Совершенствование конструктивных решений с учетом оптимального
использования прочностных свойств материала, индустриальности изго¬
товления и технологичности монтажа.
2.	Теоретические исследования работы конструкций и установление ос¬
новных зависимостей их напряженно-деформированного состояния при
варьировании геометрических, жесткостных и нагрузочных параметров с
учетом различных особенностей системы, в том числе порядка монтажа,
преднапряжения и т. п.
3.	Экспериментальные испытания крупномасштабных моделей для вы¬
явления действительной работы системы, проверка исходных предпосылок
и выводов теоретических исследований.
4.	Исследования устойчивости элементов комбинированных систем.
5.	Разработка рекомендаций по численным методам расчета на основа¬
нии экспериментально-теоретических исследований.
Комбинированные системы характеризуются большими пролетами, со¬
держат гибкие элементы, их монтаж предусматривает предварительное на¬
пряжение конструкции. Отмеченные особенности необходимо учитывать в
расчетах, максимально приближая расчетную схему к действительной работе
конструкции. В рамках этой задачи исследовались следующие факторы:
-	степень геометрической нелинейности;
-	численное моделирование этапов монтажа;
-	предварительное напряжение системы;
-	варианты конструктивных решений узловых сопряжений.
30

На основании анализа опыта проектирования, изготовления, монтажа и
эксплуатации металлических конструкций покрытий уникальных больше¬
пролетных сооружений сделан ряд обобщений и рекомендаций.
1.	Такие сооружения имеют повышенный уровень ответственности, их
отказы могут привести к тяжелым экономическим и социальным последст¬
виям. В связи с этим следует учитывать дополнительные требования к но¬
менклатуре и объемам изысканий и проектных работ, изготовлению и мон¬
тажу конструкций, правилам их приемки и эксплуатации.
2.	Проектирование должно основываться на комплексном подходе вы¬
бора рациональных конструктивных решений, увязанных с функциональ¬
ным назначением, архитектурой, методами изготовления и монтажа, усло¬
виями эксплуатации, выдвигаемые идеи должны быть технически и эконо¬
мически обоснованы.
3.	При проектировании возникают проблемы, выходящие за рамки нор¬
мативных документов, что требует от инженера-конструктора специальных
знаний, практического опыта. Важной особенностью процесса является гене¬
рирование идей, основанных на творческом потенциале проектировщика.
4.	Проектирование должно быть четко организовано с учетом строгого
контроля и приемки, минимизации человеческих ошибок. Оно должно
включать ряд необходимых этапов. Обязательными документами являются
«Техническое задание (ТЗ)» и «Специальные технические условия (СТУ)»
на проектирование. СТУ должны определять уровень ответственности и
уникальность сооружения, в том числе применение коэффициента надеж¬
ности по назначению, расчетный срок его эксплуатации, требования по
применению и объемам опытно-конструкторских и исследовательских ра¬
бот. Этапам двухстадийного проектирования («П» и «РД») должен предше¬
ствовать этап концептуального (вариантного) проектирования.
5.	Разработка проекта требует учета статической и динамической реак¬
ции сооружения на различные нагрузки и воздействия, включая монтаж¬
ные; обеспечения общей и местной устойчивости; запаса прочности мате¬
риалов, в том числе усталостной и т. п. Расчетная схема должна быть мак¬
симально приближена к натурной конструкции. Расчет следует выполнять
с учетом физической и геометрической нелинейности как единой про¬
странственной системы, включающей основание, фундаменты, каркас,
большепролетное покрытие.
6.	Для повышения надежности результатов расчеты рекомендуется про¬
водить с использованием современной вычислительной техники с приме¬
нением различных программ. Следует иметь в виду, что использование
компьютера имеет и обратную сторону, растет риск ошибок. Необходимо
ясное понимание работы сооружения, основанное на правилах строитель¬
ной механики.
7.	При проектировании уникальных сооружений необходимо учитывать
возможность возникновения аварийных расчетных ситуаций и меры по
предотвращению лавинообразного обрушения [1.3, 1.16]. При этом необхо¬
димо учитывать, что каждое сооружение имеет некоторую вероятность
31

разрушения. Попытка приблизить эту вероятность к нулю сопровождается
стремлением стоимости сооружения к бесконечности.
8.	Обеспечение высокой надежности уникальных большепролетных со¬
оружений предполагает обязательное научно-техническое сопровождение.
Перечень исследовательских работ, определяемый СТУ может включать:
разработку рекомендаций по климатическим нагрузкам на основании про¬
дувок модели в аэродинамической трубе; изготовление и исследование фи¬
зической модели сооружения; выполнение поверочных расчетов; разработ¬
ку «Технических условий на изготовление и монтаж конструкций» с до¬
полнительными требованиями, не входящими в действующие нормативно¬
технические документы. Необходимо проведение технического монито¬
ринга на стадии возведения и первых лет эксплуатации.
9.	Для уникальных большепролетных сооружений обязательна незави¬
симая экспертиза законченной «Рабочей документации», которая должна
выполняться специалистами, имеющими практический опыт проектирова¬
ния сооружений подобного рода. Такая независимая экспертиза может вы¬
полняться в рамках страхования строительных рисков.
10.	Комплекс работ по проектированию уникальных большепролетных
сооружений требует достаточного времени и объемов финансирования
(существенно превышающих эти параметры для традиционных объектов),
для обеспечения их качества, безопасности, эксплуатационной надежности
и долговечности. Нежелательно совмещение работ по проектированию и
строительству столь сложных и ответственных объектов. Рассчитать, за¬
проектировать и принять до конца продуманные правильные решения в
этой ситуации крайне трудно.
Литература к главе 1
1.1.	Еремеев П.Г. Металлические конструкции покрытий уникальных большепро¬
летных сооружений // Промышленное и гражданское строительство. - 2007.
- № 3. - С. 19-21.
1.2.	Еремеев П.Г. Особенности проектирования уникальных большепролетных
зданий и сооружений // Строительная механика и расчет сооружений. - 2005. -
№ 1.-С. 69-75.
1.3.	Еремеев П.Г. Предотвращение лавинообразного (прогрессирующего) обруше¬
ния несущих конструкций уникальных большепролетных сооружений при
аварийных воздействиях // Строительная механика и расчет сооружений. -
2006.-№2.-С. 65-72.
1.4.	Еремеев П.Г., Голъденберг Л.И., Микулин В.Б., Москалев Н.С. Многолетние
натурные исследования висячих большепролетных покрытий. Теория и экспе¬
риментальные исследования пространственных конструкций. Применение обо¬
лочек в инженерных сооружениях. Сб. тр. ИАСС, т. 5. - М., 1985. - С. 498-512.
1.5.	Еремеев П.Г., Киселев Д Б. Современные арочно-вантовые комбинированные
конструкции // Монтажные и специальные работы в строительстве. - 2005. -
№9.-С. 11-16.
32

1.6.	Клинов Ф.Я., Бойков В.П. О гололедно-изморозевых отложениях в нижнем
слое атмосферы по наблюдениям на телевизионной башне в Останкино. Труды
ГГО им. Воейкова, выпуск 333. - Л.: Гидрометеоиздат, 1974.
1.7.	«Надежность строительных конструкций и оснований. Основные положения
по расчету». ГОСТ 27751-88. 9 с. 38.
1.8.	Назаров Ю.П., Лебедева И.В., Попов Н.А. Региональное нормирование сне¬
говых нагрузок в России // Строительная механика и расчет сооружений. № 3.
-2006.-С. 71-77.
1.9.	Некрасов И.В., Попов Н.А. Аэродинамические испытания покрытия над три¬
бунами // Монтажные и специальные работы в строительстве. - 2002. - № 3. -
С. 37-39.
1.10.	Никонов Н.Н. Большепролетные покрытия. Анализ и оценка. - М.: Изд-во
АСВ, 2002.
1.11.	Отставное В.А. Прогнозируемые снеговые нагрузки на покрытия отапливае¬
мых зданий с учетом таяния на них снега. Сборник научных трудов Якутского
госуниверситета, 1996.
\А2. Отставное В.А. Снеговые нагрузки на покрытие над трибунами // Монтаж¬
ные и специальные работы в строительстве. - 2002. - № 3. - С. 40-42.
\ АЗ. Отставное В.А., Лебедева И.В. Снеговые нагрузки на покрытие //Монтаж¬
ные и специальные работы в строительстве. - 2005. - № 3. - С. 18-21.
1.14.	Отставное В.А., Розенберг Л. С. Схемы снеговой нагрузки для расчета олим¬
пийских сооружений // Большепролетные пространственные металлические
мембранные и висячие покрытия олимпийских сооружений. - М.: Стройиздат,
1981.-С. 18-25.
1.15.	Отто Ф. Висячие покрытия. - М.: Госстройиздат, 1960. - 178 с.
\А6.Перельмутер А.В. Избранные проблемы надежности и безопасности строи¬
тельных конструкций. - Киев: Изд-во УкрНИИПСК, 2000.
1.17. Попов Н.А. Рекомендации по уточненному динамическому расчету зданий и
сооружений на действие пульсационной составляющей ветровой нагрузки. - М.,
2000.
\ AS.Попов Н.А. Анализ динамической работы покрытия над трибунами и оттяжек
пилонов // Монтажные и специальные работы в строительстве. - 2002. - № 3.
- С. 43-45.
1.19.	Попов Н.А. Ветровые нагрузки, действующие на покрытие //Монтажные и
специальные работы в строительстве. - 2005. - № 3. - С. 16-17.
1.20.	Рекомендации по определению снеговой нагрузки для некоторых типов по¬
крытий. - М.: ЦНИИСК, 1983. - 22 с.
1.21 .Розенберг Л.С., Бунякин А.А., Киреев К.Л. Измерения снеговых нагрузок и
натурные наблюдения за работой покрытий олимпийских сооружений //
Большепролетные металлические покрытия олимпийских сооружений. - М.:
Стройиздат, 1982.-С. 135-145.
1.22. Савельев В.А., Павлов А.Б., Малый В.И., Калашников Г.В. Некоторые сооб¬
ражения по поводу организации экспертизы проектов // Промышленное и гра¬
жданское строительство. - 2004. - № 5.
1.23. Савельев В.А., Малый В.И., Павлов А.Б. Предложения по назначению снего¬
вой нагрузки // Промышленное и гражданское строительство. - № 5, 2004.
-С. 1-6.
1.24.	СНиП 2.01.07-85*. «Нагрузки и воздействия» / Госстрой России. ГУП ЦПП,
2003.
1.25.	СНиП 23-01-99 «Строительная климатология».
3 Заказ 1067
33

1.26.	СНиП Н-3-79* «Строительная теплотехника» (изд. 1986 г.).
1.27.	СНиП 11-01-95 «Инструкция о порядке разработки, согласования, утвержде¬
ния и составе проектной документации на строительство предприятий, зданий
и сооружений» / Минстрой России. - 1985.
1.28.	Справочное пособие. Мембранные конструкции зданий и сооружений / Под
общ. ред. В.И. Трофимова и П.Г. Еремеева. - М.: Стройиздат, 1990, ч. I. - 248 с.,
ч. II.-198 с.
1.29.	Сулаберидзе О.Г. Аэродинамические характеристики покрытий олимпийских
сооружений // Большепролетные пространственные металлические мембран¬
ные и висячие покрытия олимпийских сооружений. - М.: Стройиздат, 1981.
- С. 23-34.
1.30.	Хайдуков Г.К., Еремеев П.Г., Карасев С.И. Пространственная вантово-стерж¬
невая система «Tensegrity». Обзор. - М.: ВНИИНТПИ, 2000. - 36 с.
1.31.	Air Recommendations for Loads on Buildings. Chapter 6. Wind Loads. Architectur¬
al Institute of Japan.
1.32.	American Society of Civil Engineers. Minimum Design Loads for Buildings and
Other Structures. ANSI/ASCE 7-95, ASCE, New York, 1998. - 217 p.
1.33.	DIN 1055-100: («Нагрузки и воздействия») Einwirkungen auf Tragwerke - Teil
100: Grundlagen der Tragwerksplanung, Sicherheitskonzept und Bemessungsregeln,
03.2001.
1.34.	ENV 1991-2-3: 1998. Eurocode 1: Basis of design and actions on structures: Snow
Loads. Brussels: CEN, 2002.
1.35.	ENV 1991-2-4: 1994. Eurocode 1: Basis design and action on structures: Wind ac¬
tion. ENV 1991-24 Brussels:CEN, 1994.
1.36.	ENV 1991-2-7: 1998. Eurocode 1: Basis of design and actions on structures. Acci¬
dental actions due to impact and explosions. Brussels: CEN, 1998.
1.37.	Majowiecki.M. Conceptual design of long span structures: a knowledge based syn¬
thetical approach. University of Bologna, Italy. Proceedings of the IASS Sympo¬
sium October 7-11, 1996, Stuttgart/Germany, vol. I.
1.38.	National Building Code of Canada (NBCC). Ottawa, Ontario, 2005.
1.39.	Saitoh M. Resent Developments of Hybrid Tension Structures. Proseeding of the
IASS Symposium. Copenhagen. Denmark, 1991.
1.40.	Standard Australia. Minimum design loads on structures. Part 2: Wind Loads.
1.41.	Standards Australia. North Sydney, 1989.
34

Глава 2
СВЕТОПРОЗРАЧНОЕ ПОКРЫТИЕ СТАРОГО ГОСТИНОГО
ДВОРА
§ 2.1. Общие сведения
В 1995 г. была поставлена задача по реконструкции уникального памят¬
ника архитектуры XVIII-XIX веков — Старого Гостиного Двора. Во мно¬
гих российских городах начиная с XVI века были построены архитектур¬
ные комплексы, предназначенные для торговли и хранения товаров. Они
служили также гостиницами для приезжающих в город купцов (гостей),
поэтому и получили название гостиных дворов. История Старого Гостино¬
го Двора в Москве началась в XVIII веке, когда Красная площадь, Верхние
торговые ряды (ныне ГУМ) и Большой Гостиный Двор представляли собой
великое московское торжище. В то время Гостиный Двор использовался не
только для торговли, но и для общественных сборищ. По указу Екатерины
Великой в 1770-х годах началась перестройка Гостиного Двора, в результа¬
те которой торговые ряды были объединены в единое здание [2.11].
Грандиозный ансамбль Гостиного Двора — выдающееся творение ве¬
ликого петербургского зодчего Джакомо Кваренги, который создал проект
в строгих канонах классицизма, а воплотили его в жизнь — русские строи¬
тели под руководством архитекторов И. Егорова, С. Карина и В. Селихова.
Гостиный Двор расположен в самом центре города в 150 метрах от Крас¬
ной площади. Здание, имеющее в плане форму неправильной вытянутой
трапеции, было застроено по периметру, протяженностью около 600 м,
двух- и трехэтажными торговыми помещениями.
Рельеф площадки имеет уклон к Москве-реке. Перепад между улицами
Ильинка и Варварка составляет 2,5 м, поэтому архитектор предусмотрел раз¬
ную высоту параллельных сторон «трапеции»: в глубине Китай-города арка¬
ды выстроены в два, а ближе к реке — в три яруса. Учитывая узость улиц и
их транспортную загрузку, зодчий скруглил углы здания, вписав в них широ¬
кие лестницы. Большой внутренний двор был разбит поперечным корпусом
на две части. Когда-то ниши, разделенные коринфскими колоннами, образо¬
вывали сплошную череду лавок. Память о тех временах в названиях приле¬
гающих переулков — Рыбный и Хрустальный. В последнее перед реконст¬
рукцией время огромное здание вмещало в своих стенах десятки различных
организаций. Помещения много раз перестраивались, нарушилась целост¬
ность прекрасного ансамбля, который к тому же постепенно ветшал и раз¬
рушался.
Сегодня Гостиный Двор пережил фактически свое третье рождение.
Внутри ансамбля проведена полная перестройка. Огромное внутреннее
В настоящей главе использованы материалы, опубликованные в журнале «Спе¬
циальные и монтажные работы в строительстве» № 5, 1999 г.
3*
35

пространство перекрыто светопрозрачным покрытием площадью почти
15 000 м2(рис. 2.1). Оставаясь архитектурным и историческим памятником,
Старый Гостиный Двор, рассчитанный на одновременное пребывание до
1500 человек, превратился в современный выставочный, деловой, торговый
и культурный центр столицы. После реконструкции полезная площадь по¬
мещений составила 50 000 м2 (общая площадь комплекса 81 600 м2). В об¬
новленном Гостином Дворе разместились отель, магазины, рестораны, ин¬
тернет-кафе, культурный центр, деловой клуб, офисы, склады, предусмот¬
рены места для отдыха и прогулок (рис. 2.2).
Рис. 2.1. Гостиный Двор. Общий вид
Рис. 2.2. Гостиный Двор. Интерьер
36

Реконструкция Гостиного Двора была начата в 1995 г. Генеральный
подрядчик — корпорация «Трансстрой» [2.40], генеральный проектиров¬
щик — Моспроект-2. Проект предусматривал полное оснащение внут¬
ренних помещений современным инженерным оборудованием. Это по¬
требовало комплексного решения сложнейших проблем — архитектур¬
ных, функциональных, технологических, конструктивных. Уникальность
проекта заключалась в использовании после усиления существующих
старинных стен и фундаментов с нерегулярным очертанием в плане. Зна¬
чительное число внутренних поперечных стен, установленных с различ¬
ным шагом, не было перпендикулярно продольным наружным стенам.
В сложнейших условиях центра Москвы с многочисленными подземными
коммуникациями велась расчистка, зачастую вручную, полуобваливших-
ся помещений, мощной каменной кладки, огромных подвалов, возведен¬
ных более 200 лет назад.
Проект реконструкции Старого Гостиного Двора включал строительст¬
во мансарды по всему периметру здания, галереи над его двухэтажной ча¬
стью и большепролетного светопрозрачного покрытия атриума.
Мансарда. Архитектурная часть проекта мансарды, железобетонные
конструкции опор, перекрытий и покрытия разработаны институтом Мос-
проект-2. Несущие металлические конструкции запроектированы ОАО
ЦНИИПСК им. Мельникова. Конструкции были изготовлены на Белгород¬
ском заводе металлоконструкций.
Принята каркасная система, жесткость которой в поперечном направле¬
нии обеспечивается 2- и 3-этажными рамами с жесткими узлами, а в про¬
дольном — вертикальными связями при шарнирном сопряжении ригелей с
колоннами. Железобетонные перекрытия и покрытие являются горизон¬
тальными диафрагмами жесткости. В качестве основных несущих элемен¬
тов перекрытий нижних этажей приняты двухконсольные продольные бал¬
ки, опорные плиты которых приваривались на монтаже, исходя из фактиче¬
ского положения существующих поперечных стен. Это позволило
унифицировать элементы металлоконструкций мансарды. Все они выпол¬
нены сварными, с фрезеровкой торцов колонн. Некоторые балки изготав¬
ливались увеличенной длины с последующей подрезкой на монтаже для
компенсации погрешностей замеров положения стен.
Галерея. Металлоконструкции галереи, надстроенной над двухэтажной
частью Гостиного Двора, разработанные ЗАО «Курортпроект», изготовле¬
ны на Челябинском заводе металлических конструкций (ЗМК).
Галерея пристроена к мансарде и опирается на ее конструкции. Каркас
галереи состоит из одного ряда колонн и четырех ярусов балочных клеток.
Нижние ригели одним концом шарнирно опираются на внутреннюю желе¬
зобетонную колонну усиления пилонов, а другим — на закладную деталь в
железобетонном поясе продольной балки мансарды. Часть колонн (по оси
«Г») опирается на поперечные ригели. Общая устойчивость каркаса обес¬
печивается горизонтальными дисками железобетонных перекрытий и кар¬
касом мансарды.
37

Основные элементы запроектированы из сварных двутавров (сталь
09Г2С-12). По балкам смонтирован профилированный настил (с обрезкой
по месту с учетом сложной геометрии перекрытий), по которому уложена
монолитная железобетонная плита.
Большепролетное светопрозрачное покрытие атриума. Наиболее
сложной и ответственной частью реконструкции Старого Гостиного Двора
являлась задача перекрытия внутреннего двора светопрозрачной оболочкой
площадью около 15 гектаров.
Архитектурные, конструктивные и технологические решения принима¬
лись с учетом требований, обязательных при работе на памятнике архитек¬
туры. Проектирование велось с учетом ряда ограничений. Низ покрытия
должен был быть выше отметки существующего карниза трехэтажной час¬
ти здания, а превышение конька покрытия над кровлей — минимальным,
что существенно ограничивало высоту несущих конструкций. Система
опор покрытия не должна была менять исторический облик памятника, т. е.
исключалась возможность постановки дополнительных опор как внутри
двора, так и вне здания; конструкции покрытия должны были максимально
свободно пропускать естественный свет. Покрытие решено было опереть
на дворовые пилоны. По результатам обследований кирпичных стен и фун¬
даментов была выявлена необходимость их усиления. При разработке ва¬
риантов несущих конструкций, на которые укладываются стеклопакеты,
учитывались следующие дополнительные требования: минимальный собст¬
венный вес (для уменьшения нагрузок на нижележащие конструкции); без-
распорность (передача на стены только вертикальных усилий), повышенная
жесткость, максимальная унификация.
На этапе эскизных предложений было рассмотрено несколько вариантов
несущих конструкций. Для всех вариантов были выполнены расчеты, про¬
веден технико-экономический анализ, выявлены основные достоинства и
недостатки. На основании анализа институтом «Курортпроект» при уча¬
стии ЦНИИСК им. Кучеренко [2.7, 2.8] было предложено окончательное
решение конструкции покрытия (см. § 2.2). При разработке основных эле¬
ментов и узлов учитывалась технологичность их изготовления и монтажа.
Металлические конструкции большепролетного покрытия были изготовле¬
ны под руководством ОАО «Сталькон» на Челябинском ЗМК. Чертежи КМ
и КМД практически выпускались параллельно, что значительно сократило
срок изготовления металлоконструкций. Основными задачами ассоциации
«Сталькон» на стадии разработки проекта являлись координация работ про¬
ектных, научно-исследовательских и монтажных организаций, металлургов и
заводов-изготовителей металлоконструкций с целью комплексного решения
задач проектирования, изготовления и монтажа стальных конструкций уни¬
кального объекта [2.4]. Монтаж несущих металлоконструкций выполнен
ОАО «Стальконструкция», а светопрозрачной кровли — ООО «Агрисовгаз».
Монтажные работы различного профиля осуществляла корпорация «Мон-
тажспецстрой». Различные организации проводили научно-техническое со¬
провождение комплекса работ по возведению Старого Гостиного Двора.
38

По основанию и фундаментам выполнены обследования и инструмен¬
тальные наблюдения за осадками здания (с частотой не менее одного раза в
месяц). Проведены расчеты несущей способности свайных фундаментов, с
учетом требования равенства осадок по всему периметру здания с целью
предотвращения трещинообразования в вышележащих конструкциях; осу¬
ществлен контроль технологии устройства свайных фундаментов, которые
были испытаны пробной статической нагрузкой.
Обследования кирпичных и каменных конструкций выявили, что кир¬
пичная кладка характеризуется большим разбросом показателей прочности
и качества материалов. Решение об опирании светопрозрачного покрытия
на кирпичные пилоны потребовало разработки эффективных методов уси¬
ления кладки, обеспечивших повышение несущей способности кирпичных
и каменных конструкций в 1,5^-2,0 раза. При этом учитывалось требование
сохранения внешнего облика конструкций памятника архитектуры. Анализ
степени заполнения пустот в кладке и результаты испытания кернов пока¬
зали, что инъецирование позволяет повысить прочностные характеристики
кладки. Были проведены испытания натурных образцов кладки для полу¬
чения данных о прочности неусиленной и усиленной кладки. Выявлены
наиболее нагруженные участки кладки, проведена оценка их несущей спо¬
собности и требуемая степень усиления. Разработаны эффективные техни¬
ческие и технологические решения по усилению несущих кирпичных кон¬
струкций.
Новое конструктивное решение большепролетного светопрозрачного
покрытия обосновано комплексными исследованиями. Подготовлены ре¬
комендации по снеговым и ветровым нагрузкам на основании эксперимен¬
тального исследования модели в аэродинамической трубе.
Разработано техническое задание на проектирование, включающее оп¬
ределение климатических условий, класса ответственности, а так же темпе¬
ратурный режим сооружения, агрессивность воздушной среды. Установле¬
ны условия эксплуатации светопрозрачного покрытия: приведенное сопро¬
тивление теплопередачи принято равным 1,8 (м2-°С/Вт), минимальная
зимняя расчетная температура внутреннего воздуха +16 °С, ночное дежур¬
ное отопление +8 °С. Определены расположение, расчетная периодичность
работы устройств для очистки покрытия. На стадии «Проект» рассматрива¬
лась возможность проектирования и изготовления ограждающих и несу¬
щих конструкций с различной степенью надежности (для обеспечения
сброса снега с покрытия за счет обрушения второстепенных конструкций в
случае аварийных ситуаций — отказов систем исскуственного таяния сне¬
га, отложения снеговой нагрузки выше нормируемой и т. п.).
Разработаны варианты технических решений большепролетного свето¬
прозрачного покрытия (рекомендации по выбору оптимальной геометрии
покрытия, схемам расположения элементов конструкций, рациональным
формам сечений основных элементов и узлам их сопряжений, применяе¬
мым маркам стали, защите конструкций от коррозии и т. п.). Выполнен
компьютерный анализ напряженно-деформированного состояния покрытия
39

(моделирование этапов монтажа, учет различных нагрузок и воздействий и
их сочетаний). Проведена экспериментальная проверка основных конст¬
руктивных решений на крупномасштабной модели. Выполнены повероч¬
ные расчеты и выдано заключение по несущей способности конструкций
(прочности, устойчивости, эксплуатационной надежности). Проведено на¬
учно-техническое сопровождение изготовления, монтажа и приемки конст¬
рукций. Разработана и осуществлена система мониторинга для стадии мон¬
тажа и эксплуатации конструкций.
Эти работы выполняли сотрудники ЦНИИСК им. Кучеренко. Аэроди¬
намические испытания сооружения проведены фирмой УНИКОН (г. Ново¬
сибирск), на основании этих продувок в ЦНИИСК им. Кучеренко были
разработаны рекомендации по климатическим нагрузкам и воздействиям.
В течение всего периода строительства специалистами ООО «Юстас» осу¬
ществлялись геодезический контроль и мониторинг.
Объем инвестиций составил около 230 миллионов долларов, а срок от
начала проектирования до полной готовности объекта — менее двух лет.
Координация и тесное сотрудничество проектных, научно-исследователь¬
ских и монтажных организаций, металлургов и заводов-изготовителей ме¬
таллоконструкций позволили своевременно и качественно осуществить
строительство уникального объекта.
§ 2.2. Конструктивное решение покрытия
В основу разработки технических решений положены следующие тре¬
бования: обеспечение долговременной надежности, оптимизация конструк¬
тивной формы для минимизации расхода материала; максимальная техно¬
логичность конструкции в изготовлении и монтаже; соответствие архитек¬
турным решениям [2.7, 2.8].
2.2.1.	Форма плана и поверхности покрытия
Покрытие имеет в плане форму неправильной вытянутой трапеции с
размерами сторон 58, 189, 86, 165 м (рис. 2.3). Для организации регулярной
структуры покрытия с максимальной унификацией несущих и ограждающих
элементов в заданный план был вписан условный прямоугольник, продоль¬
ная ось которого является биссектрисой угла, между длинными сторонами
трапеции. Несущие элементы (комбинированные арочно-вантовые фермы)
расположены в основном параллельно друг другу. Верхний пояс, выходя¬
щий за контур прямоугольника, дополнялся элементами переменной длины.
Горизонтальный уклон конька покрытия « 1° (перепад торцевых отме¬
ток 1,873 м) определен тем, что арки с постоянным радиусом и опорами на
одной отметке имеют переменный пролет. По архитектурным требованиям
превышение конька светопрозрачного покрытия внутреннего двора над
кровлей здания принято минимальным: отношение полной высоты конст¬
рукции к пролету f/L = 1/14 при отношении стрелы подъема верхнего поя¬
са к пролету f\/L= 1/20^-1/28. Приведенные выше условия потребовали
применения комбинированной арочно-вантовой системы.
40

5070,	,	12 150x14= 170 100	, 13 697
41
Рис. 2.3. План покрытия. Разрез 1-1:
связевой блок; 2 — верхний пояс; 3 — нижний пояс; Ф1 -ьФ15 — основные несущие элементы покрытия (комбинированные арки)

2.2.2.	Общая компоновка конструктивной схемы
На стадии предварительного проектирования были проанализированы
различные варианты расположения несущих элементов в плане. Веерное их
расположение связано с большим количеством типоразмеров несущих эле¬
ментов, узлов их сопряжения и стеклопакетов. Для их уменьшения предла¬
галось покрытие в виде бочарных сводов переменной в поперечном на¬
правлении кривизны, что не отвечало архитектурным требованиям. В при¬
нятом варианте большепролетное светопрозрачное покрытие представляет
собой систему из 15 поперечных несущих элементов пролетом от 59 до
82 м, высотой 4,2^-6,1 м, в основном расположенных параллельно друг дру¬
гу. Исключение составляет один крайний элемент, расположенный под уг¬
лом к остальным (см. рис. 2.3). Несущие элементы расположены через
12,15 м, кратно шагу дворовых пилонов (около 6 м), что позволило равно¬
мерно нагрузить их за счет устройства по верху кирпичных стен распреде¬
лительной железобетонной монолитной коробчатой балки, обеспечило дос¬
таточную освещенность, а также максимально сократило количество типо¬
размеров конструктивных элементов и узлов их сопряжения.
В качестве несущего элемента применена комбинированная система,
состоящая из выпуклого сжато-изогнутого верхнего пояса (арки), прови¬
сающего растянутого нижнего пояса и двух V-образных стоек, объеди¬
няющих пояса (рис. 2.4). Ломаный верхний пояс собран из однотипных
прямолинейных элементов длиной 10 м, вписанных в цилиндрическую по¬
верхность постоянной кривизны (R = 205,7 м). Сечение пояса — сварной
двутавр высотой 700 мм, толщина полок 40 мм, стенки 28 мм. Нижний пояс
(затяжка) состоит из двух стальных полос сечением 40x275 мм, располо¬
женных вертикально и объединенных между собой прокладками. Нижние
пояса комбинированных арочно-вантовых ферм не связаны между собой в
продольном направлении для возможности работы устройств, обслужи¬
вающих светопрозрачное покрытие внутри помещения.
Узлы, объединяющие нижний и верхний пояса (концы фермы), нижний
пояс со стойками (места перелома нижнего пояса) и верхний пояс со стой¬
ками, запроектированы в виде цилиндрических шарниров (рис. 2.5, a, б, в).
Две V-образные стойки (см. рис. 2.4) выполнены из трубы 0219x16 со
средними трубчатыми вставками 0180 х 20. После укрупнительной сборки
стержневая система предварительно напрягалась за счет раздвижки поясов
с использованием домкратов, установленных в местах расположения
V-образных стоек (рис. 2.5, г). Проектная геометрия фермы фиксировалась
обваркой вставок V-образных стоек.
Комбинированные арочно-вантовые фермы опираются на распредели¬
тельную коробчатую балку через шарнирно-неподвижный и шарнирно¬
подвижный узлы. Распор не передается на нижележащие конструкции, а
воспринимается нижним поясом. В конструкции применены опоры четырех
типов: поперечные и продольные катковые опоры, подвижные опоры ста¬
канного типа и неподвижные тангенциальные опоры. Опорные части с при¬
менением полимерных материалов разработаны институтом РОСДОРНИИ.
42

ю
82391
4000
2100
6100
2060
13,51
■м-
80742
4000
2100
6100
20,18
13,24
со
79070
3835
2100
5935
20,62
13,32
см
77399
3673
2100
5773
21,07
13,41
75727
3514
2100
5614
21 55
9
О)
со
о
74056
3360
2100
5460
3
Rf
13,56
О)
72384
3209
2100
5309
22 56
9
13,63
со
70713
3061
2100
5161
23,10
13,70
69041
2917
2100
5017
23,67
13,76
со
о>
58
h-
СО
2776
2100
4876
24,27
см
со
со
ю
S
58
со
2640
2100
4740
24,89
13,86
■М"
64026
со
8
см
2100
4606
25,55
13,90
со
62355
2376
2100
4476
26,24
13,93
см
60683
2250
2100
4350
26,97
13,95
-
59011
2127
2100
4227
27,74
$
со
Номер
фермы
2
2
2
2
2
2
2
2
Ч
<3
и/
43
Рис. 2.4. Арочно-вантовые фермы

верхний пояс; 2 — нижний пояс; 3 — шарнирно-подвижная опорная часть стаканного типа; 4 — цилиндрический шарнир D140

Рис. 2.5, б, в. Конструктивные узлы:
б — узел объединения нижнего пояса со стойками; в — узел объединения верхнего пояса
со стойками; 1 — V-образная стойка; 2 — цилиндрический шарнир D140; 3 — нижний пояс;
4 — верхний пояс
45

1
Рис. 2.5, г, д, е. Конструктивные узлы:
г — узел разъема V-образных стоек для предварительного напряжения системы за счет
раздвижки поясов с использованием домкратов; д — узел опирания прогонов с допол¬
нительными подкосами; е — фланцевый узел сопряжения элементов верхнего пояса;
1 — прогон; 2 — подкос; 3 — верхний пояс; 4 — V-образная стойка; 5 — трубчатая вставка;
6 — высокопрочные болты М24 40Х «селект»
46

Подвижные опорные части стаканного типа (СОЧ) имеют коэффициент
трения менее 0,05. Применение опор разных типов определялось необхо¬
димостью восприятия системой температурных воздействий, без передачи
их на нижележащие конструкции, и обеспечения ее общей устойчивости.
По верхним поясам арочно-вантовых ферм (шаг 12,15 м) через 5 м распо¬
ложены шарнирно опертые продольные прогоны — распорки из сварных
балок двутаврового сечения (рис. 2.5, д). Прогоны развязаны из плоскости
элементами каркаса светопрозрачных панелей. По торцам покрытия прогоны
опираются на стены через подвижные шарниры. В средней части покрытия в
плоскости верхних поясов предусмотрен связевый блок, обеспечивающий
совместно с прогонами общую устойчивость конструкции покрытия
(см. рис. 2.3). Крутильная жесткость сечения верхних поясов ферм увеличена
за счет их связи с прогонами дополнительными подкосами (рис. 2.5, д). Все
несущие металлоконструкции поясов ферм выполнены из стали С390
(10ХСНД-15), трубчатые стойки — из стали С20, прогоны — из стали С345-3
(09Г2С), связи — из стали С255. Стыковые соединения нижнего пояса —
сварные со 100 % контролем физическими методами качества заводских и
монтажных сварных швов. Монтажные стыки верхнего пояса — фланцевые
на высокопрочных болтах М24 из стали марки 40Х «селект» (рис. 2.5, ё).
Поверх несущих металлоконструкций смонтированы светопрозрачные
панели, состоящие из стальных рам, алюминиевых переплетов и двойных
стеклоблоков. По настоянию пожарных органов нижнее стекло выполнено
закаленным, а верхнее из триплекса, хотя по логике они должны устанав¬
ливаться в обратном порядке. Учитывалось качество стекла по прочности,
светоотражению, долговечности.
Технические решения несущих конструкций покрытия увязывались с
конструктивными решениями светопрозрачных панелей (расположение и
шаг продольных и поперечных элементов с размерами и формой стеклопаке¬
тов; кривизна покрытия с узлами сопряжения стеклопакетов; узлы сопряже¬
ния несущих и ограждающих конструкций с возможностью их рихтовки;
расчетные относительные прогибы несущих конструкций с ограничениями
по деформациям стеклопакетов). Учитывались дополнительные требования к
узлам стыков стеклопакетов в местах переломов поверхности, ендовах, при¬
мыканиях к стенам, открывающимся проемам для дымоудаления и т. п.; во¬
просы долговременной и надежной эксплуатации светопрозрачного покры¬
тия (очистка, противопожарная безопасность, ремонтопригодность), а также
обеспечение снеготаяния, размещение устройств для обслуживания, недо¬
пущение образования конденсата. В ендове по периметру покрытия распо¬
ложен водосток с электроподогревом для приема дождевых и талых вод.
2.2.3.	Разработка и анализ вариантов конструктивных схем
комбинированной арочно-вантовой системы
На первом этапе было проанализировано несколько вариантов конструк¬
тивных схем (рис. 2.6). Схема 1 — арочная система с лучевыми затяжками;
схема 2 — арочная система со вспарушенным нижним поясом, объединенным
47

Схема 1
Схема 4
Рис. 2.6. Варианты конструктивных схем:
схема 1 — арочная система с лучевыми затяжками; схема 2 — арочная система со вспару-
шенным нижним поясом, объединенным с верхним поясом подвесками; схема 3 — арочная
система с провисающим нижним поясом, объединенным с верхним поясом распорками;
схема 4 — арочная система с провисающим нижним поясом, объединенным с верхним
поясом двумя V-образными стойками
с верхним подвесками; схема 3 — арочная система с провисающим нижним
поясом, объединенным с верхним поясом распорками; схема 4 — анало¬
гична схеме 3, но нижний пояс объединен с верхним двумя V-образными
стойками. Общими характеристиками для рассмотренных систем являлись
сжато-изогнутый верхний пояс в виде двухшарнирной арки, очерченной по
дуге окружности с отношением стрелы подъема к пролету ///= 1/10, с од¬
ним подвижным опорным узлом; усиленный гибкими предварительно¬
напряженными элементами. Для четырех вариантов были проведены чис¬
ленные исследования при следующих исходных данных: пролет — L = 70 м;
стрела подъема верхнего пояса — f\ = 7 м (схемы 1, 2); полная высота ароч¬
ной системы — /=/i +f2 = 7 м (схемы 3, 4); погонная равномерно распреде¬
ленная нагрузка — р = 45 кН/пм, неравномерно распределенная нагрузка —
Р\ = 26 кН/пм, р2 = 45 кН/пм.
Для предварительной оценки конструктивных схем численные расчеты
выполнялись в линейной постановке на равномерно распределенную на¬
грузку. Исходные данные задавались параметрически: геометрия (£,/ь/2) и
размеры условных прямоугольных сечений (А, h, b) вводились как пере¬
менные с определенным диапазоном изменений. Оптимизация четырех
вариантов комбинированной арочно-вантовой системы проводилась в сле-
48

дующей постановке: целевая функция — минимальный вес; ограничиваю¬
щие условия — максимальные напряжения в интервале 290+310 МПа; оп¬
тимизируемые переменные — размеры сечений элементов. В результате в
первом приближении были получены требуемые размеры условных сече¬
ний элементов (табл. 2.1). Далее выполнялся анализ работы исследуемых
конструктивных схем (табл. 2.2), в которых условные сечения были заме¬
нены прокатными профилями (двутавры горячекатаные с параллельными
гранями полок по СТО АСЧМ 20-93). Показатели расхода металла для рас¬
смотренных вариантов приведены в сводной табл. 2.3.
Таблица 2.1
Результаты оптимизационных расчетов с условными сечениями
№ схемы
Верхний пояс
Нижний пояс
и, см
N, кН
М, кН-м
oN, %
Ом, %
7V,kH
1
-6920
(100%)
4640
(100%)
27
73
—
18,5
(100%)
2
.^гт Г 1—1-Г^
-4650
(67 %)
280
(6%)
58
42
+4630
(100%)
13,5
(73 %)
3
<СГ“ГТГп^
-3940
(57 %)
144
(3 %)
65
35
+3960
(85 %)
5,0
(27 %)
4
-3860
(56 %)
750
(16%)
35
65
+3820
(82 %)
5,7
(31 %)
Таблица 2.2
Результаты расчетов с сечениями из прокатных профилей
№ схемы
Верхний пояс
Нижний пояс
W, см
N, кН
А/, кН-м
СТдг, %
Ом, %
N, кН
1
-6160
(100%)
6185
(100%)
38
62
—
18,0
(100%)
2
1 Ож
-4640
(75 %)
300
(5 %)
70
30
+4630
(100%)
13,6
(76 %)
3
-3930
(64 %)
162
(3 %)
76
24
+3950
(85 %)
4,2
(23 %)
4
-3850
(63 %)
695
(11%)
56
43
+3820
(82 %)
4,8
(27 %)
Примечания к табл. 2.1 и 2.2:
1.	Приведенные результаты получены расчетом в нелинейной постановке при рав¬
номерно распределенной нагрузке.
2.	и — горизонтальное перемещение опорного шарнирно-подвижного узла. 44 Заказ 1067
49

<N
О
S'
3
V§
£
fr
U
£
Б
a
a
о
u
о
я
>я
©
Я
я
4
s
a
5
5
£
M
© >*
ES g.
» Я
IS
a g-
H S
3 о
я я
£ I
6	?
^ *
я
о
я
я
о
н
я
я
я
а
я
я
©
я
я
©
I б'й
а
го
©
0
ч
о
С
§•
я
л
а
а д
5Г ®
0Q
<Г s
©
х
©
о4
0181
U0
тг
О
г-
О 00
ГО Tt
о
40
2
о
’'t
40
V©
о
г-
CS
го й
Q
н
X
04
(N
Q
н
3 £
о ^
о <N
5 х
2 ^
С (N
<4
2
(Ч
э
о
гл
го
ri
г-
VO
тг
о
с^*
г-
40
о
г-
А
2
о
я
а i
8 *
5
я а
*	в
я S
Л s
*	п
© о
2 х
А о
Я €в
а а
с -
50
2. Размеры сечений

По результатам численных исследований сделаны следующие выводы.
В верхнем поясе, работающем на сжатие с изгибом, для схем 1 и 4 доля
продольных напряжений составила 30 %, а изгибных — 70 %, для схем 2 и
3 напряжения от продольного усилия и изгибающего момента оказались
примерно равными. Расход металла удалось снизить на 14+28 % за счет
перераспределения продольной и изгибной жесткости поперечных сечений
верхнего пояса. Вес гибких растянутых элементов составил 30+40 % от
суммарного веса для всех вариантов конструктивных схем.
После предварительной оценки были выполнены численные исследо¬
вания в нелинейной постановке на одностороннюю нагрузку, в большин¬
стве случаев являющейся определяющей для подобных конструктивных
схем. Вначале сечения принимались в основном прокатными по табл. 2.3.
Однако при принятых исходных данных и неравномерном нагружении
сечение верхнего пояса для всех вариантов пришлось заменить на свар¬
ной двутавр, с увеличением расхода металла для схемы 2 — на 30 %, для
схемы 3 — на 40 %, а для схемы 4 — на 10 %. Результаты расчетов при¬
ведены в табл. 2.4 и 2.5.
Таблица 2.4
Результаты расчетов с сечением верхнего пояса
из сварного двутавра
№ схемы
Верхний пояс
Нижний
пояс
м, см
ЛГ,кН
Л/, кН-м
ст, МПа
(по проч¬
ности)
ст, МПа
(по устой¬
чивости)
МкН
1
-5274
(100%)
5690
(100%)
268
271
—
14,8
(100%)
2
«иГТ 1 1
-3490
(66 %)
2666
(47 %)
265
305
+3420
(100%)
9,3
(63 %)
3
-3025
(57 %)
2177
(38 %)
267
331
+3020
(88 %)
3,7
(25 %)
4
-^7
-3028
(57 %)
1770
(31 %)
275
281
+3190
(93 %)
3,6
(24 %)
Примечания:
1.	Приведенные результаты получены расчетом в нелинейной постановке при не¬
равномерно распределенной нагрузке.
2.	и — горизонтальное перемещение опорного шарнирно-подвижного узла.
4*
51

Сравнение вариантов конструктивных решений по результатам нелинейного расчета
на неравномерную нагрузку
<N
Q
S'
S
v§
й
§
и
3
Рч
N?
40 О4
со О
чо о
О ^
^ чо
£ «Л
2 *
4Г)
О
§
С
о
ЧО
£
Я
о
Л
Рч
тг
X
00
40
5
X
04
(N
Q
&
о
я
3	£
О Г"
о <N
4	х
2 ^
с <4
(N
>Я
Я
я
X
Он
о
0Q
У4
0181
Z£9l
и
ОШ
от
с? и
О, Я
40 »Л
<N ^
40 ^
40
40
s
о
г-
о
40 £
(N ^
СП
rf
Г-
V©
О
40 «£
(N ^
СП
(N
О
Г-
Л
«
Я
Я
ев
Я
<D
3
Я
Он
U
52
1.	Расход металла приведен при шаге несущих конструкций В = 10 м.
2.	Размеры сечений — мм.

Анализ результатов численных исследований вариантов конструктив¬
ных решений при сопоставимых исходных данных, показал:
-в схеме 1 невозможно полностью использовать работу подкрепляю¬
щих лучевых затяжек ввиду пологости системы. В ней оказываются
относительно большие усилия в верхнем поясе, значительное горизон¬
тальное перемещение подвижного опорного узла, повышенный расход
материала;
-	схемы 1 и 2 в 2,5-^-4 раза более деформативны, чем схемы 3 и 4;
-трудоемкость монтажа, включающая регулирование геометрии арок и
необходимость предварительного натяжения затяжек, отражается на
технико-экономических показателях всех рассмотренных вариантов.
Схема 4 в этом отношении наиболее рациональна;
-	в схеме 4 сечение верхнего пояса оказалось минимальным, в первую
очередь за счет лучших характеристик устойчивости системы.
На следующей стадии проектирования («П») прорабатывались два ва¬
рианта конструктивных решений. Первый вариант — двухшарнирная ар¬
ка с затяжкой. Арка — стальная из сварного двутавра, затяжка — из
стальных полос, с возможностью их начального натяжения и регулирова¬
ния геометрии арок. Второй вариант — арочно-вантовая линзообразная
ферма, позволяющая понизить отметку конька светопрозрачного покры¬
тия. Нагрузки воспринимаются сжато-изогнутым верхним поясом-аркой
(сварной двутавр) и провисающим растянутым нижним поясом-затяжкой
(стальные полосы, объединенные между собой шарнирами). Пояса объе¬
диняются сжатыми вертикальными стойками — трубчатого сечения, с
устройствами для регулирования их длины и задания системе начального
натяжения.
2.2.4.	Численные исследования устойчивости вариантов
конструктивных схем комбинированных арочных систем [2.15]
Одним из важных факторов работы арочных систем является их устой¬
чивость. Этому вопросу посвящено значительное количество работ, полу¬
чены приближенные решения по определению критической нагрузки для
различных типов арок. Устойчивость комбинированных арочных систем
определяется их конструктивной схемой, совместной работой арки и до¬
полнительных элементов. Для ряда конструктивных решений имеются ре¬
комендации по определению их устойчивости [2.5, 2.6, 2.16]. Однако для
каждого нового конструктивного решения эту проблему необходимо ре¬
шать заново. Поэтому ставилась задача разработки методики и практиче¬
ских рекомендаций по определению устойчивости различных типов комби¬
нированных арочных систем с использованием стандартных вычислитель¬
ных комплексов, реализующих метод конечного элемента в геометрически
нелинейной постановке.
При решении задачи были приняты следующие основные положения:
-	стержневая арочная система моделируется конечными элементами, ка¬
ждый из которых дополнительно разбивается на (т) частей;
53

-	система загружается различными сочетаниями нагрузок, величины ко¬
торых принимаются в к раз больше расчетных;
-	для выведения системы из состояния равновесия используются началь¬
ные несовершенства геометрии элементов конструкции или условные
отклоняющие нагрузки (на один-два порядка меньше расчетных);
-	выполняются расчеты системы в геометрически нелинейной постановке
с определением критических нагрузок;
-	определяются коэффициенты расчетной длины (р) элементов системы;
-	выполняется проверка устойчивости элементов комбинированной ароч¬
ной системы по нормативной методике.
Для обоснования методики расчета комбинированных арочных систем
на устойчивость вначале были проведены численные исследования не¬
сложных задач, для которых известны теоретические решения — продоль¬
ный изгиб прямолинейных стержней; определение коэффициентов расчет¬
ной длины (р) и критических нагрузок (Ркр) для простых арок (круговой,
параболической; бесшарнирной, двухшарнирной и т. д.). Исследования
показали возможность моделирования потери устойчивости арок с исполь¬
зованием вычислительных комплексов, реализующих метод конечных
элементов в геометрически нелинейной постановке. Выявлено, что для
получения решений (с необходимой для инженерных задач точностью)
требуется выполнение следующих условий. Арку следует разбивать на
конечные элементы с отношением ds/S < 0,007 (где: ds — длина конечного
элемента, S — общая длина оси арки); количество этапов метода последо¬
вательных нагружений (учет геометрической нелинейности) должно быть
не менее 40 (п > 40); должно выполняться условие: и,//? > 0,9, где п — об¬
щее количество этапов приращения нагрузки; и, — /- й шаг последователь¬
ного нагружения, на котором определяется (фиксируется) потеря устойчи¬
вости.
В нормах по проектированию стальных конструкций [2.22, 2.32, 2.38]
расчет на устойчивость сжато-изгибаемых элементов выполняется с учетом
гибкости стержня и формы его поперечного сечения, изгибно-крутильных
деформаций, начальных несовершенств (случайные эксцентриситеты, по-
гиби), наличия в элементах конструкции остаточных напряжений от свар¬
ки, прокатки или холодной правки [2.19] и т. д. Кроме того, учитывается
развитие в сечении пластических деформаций. В численных исследованиях
сложно учесть все отмеченные выше факторы. Поэтому необходима про¬
верка устойчивости арки по нормативной методике, используя максималь¬
ный коэффициент расчетной длины (р), определяемый по результатам чис¬
ленных расчетов.
Известно [2.28], что нормальные напряжения криволинейного и прямо¬
линейного бруса различны. В нормах рассматриваются прямолинейные
элементы. Однако применяемые в строительных конструкциях арки в
большинстве случаев относятся к стержням малой кривизны, у которых
радиус очертания оси существенно превышает размеры сечения (R0/h> 10).
54

Для таких стержней допускается пользоваться формулами для прямоли¬
нейного стержня [2.3].
При решении задачи устойчивости комбинированных арочных систем
учитывались следующие факторы: геометрическая нелинейность (конст¬
руктивная схема, включающая гибкие элементы и шарнирно-подвижный
узел опирания, достаточно деформативна); конструктивная нелинейность,
определяемая историей этапов монтажа и предварительного напряжения
системы, а в ряде случаев обусловленная выключением из работы растяну¬
тых гибких элементов (тяжи, подвески) или сжатых распорок, которые мо¬
гут потерять устойчивость раньше более жесткого верхнего пояса (меняют¬
ся конструктивная и соответственно расчетная схемы).
В большинстве существующих программных расчетных комплексов за¬
дача устойчивости (Buckling) решается в линейной постановке — предпо¬
лагается, что все внутренние силы возрастают пропорционально увеличе¬
нию уровня нагрузки, а их соотношение и распределение в системе остает¬
ся неизменным. Для нелинейно работающих систем такое допущение не
корректно. Поэтому некоторые программные комплексы определяют два
значения критической нагрузки [2.2, 2.12] — первое является наименьшим
значением решения линейных уравнений эйлерова типа, а второе определя¬
ется как интенсивность нагрузки, при которой теряется положительная оп¬
ределенность матрицы жесткости в процессе шаговой процедуры нагруже¬
ния. Величины критических нагрузок могут значительно отличаться друг
от друга в зависимости от постановки задачи, при этом линейный расчет
дает завышенные значения (табл. 2.6).
Таблица 2.6
Сопоставление величин критической нагрузки 1РКрг),
полученной линейным (ЛсрО и нелинейным (Ркрг) расчетами различных
конструктивных схем
№
Схема
Вид нагрузки
шшшго
шшШШ
1
1,0
1,3
2
4,4
4,4
3
1,1
1,6
4
	1
и
1,7
5
*=3Z	JE=*
1,3
1,6
55

Выполнены численные исследования устойчивости четырех схем
комбинированных арочных схем в геометрически нелинейной постанов¬
ке. Целью исследований было определение: максимального коэффициен¬
та расчетной длины (р) верхнего сжато-изогнутого пояса в плоскости
системы; минимального коэффициента устойчивости (К) для системы в
целом; влияние на значения коэффициентов (р) и (К) предварительного
напряжения и выключения из работы гибких растянутых или сжатых
элементов.
Численные исследования с учетом предварительного напряжения вы¬
полнялись в два этапа: этап 1 — преднапряжение системы; этап 2 — про¬
должение счета с увеличением нагрузки до критического уровня. По мере
нагружения системы моделировалось выключение из работы гибких
стержней, если в них возникало сжатие, и сжатых стоек-распорок, теряю¬
щих устойчивость раньше арочного верхнего пояса.
Исследования устойчивости комбинированных арочных систем с ис¬
пользованием стандартных вычислительных комплексов выполнялись в
несколько этапов.
1.	Определение линейным расчетом (Buckling) общего для всей системы
коэффициента запаса по устойчивости kev. В случае kev <1,0 — корректиро¬
валась конструктивная (расчетная) схема (увеличивалась жесткость эле¬
ментов или менялся тип узлового сопряжения элементов и т. п.) и выпол¬
нялся повторный расчет.
2.	Проведение расчета в геометрически нелинейной постановке. На¬
грузка принималась с коэффициентом £/, равным в первом приближении
коэффициенту запаса по устойчивости kev, найденным по п. 1. Определе¬
ние критической нагрузки Ркр выполнялось на основании анализа зависи¬
мости перемещений (напряжений) от нагрузки (рис. 2.7) или ряда расчет¬
ных параметров на каждом шаге приращения нагрузки (увеличение угла
поворота одного из элементов >10°; превышение допуска итерационной
сходимости > 0,001; изменение знака диагонального члена одного из
уравнений < 0).
3.	Проверка двух условий:
а)	приращения нагрузки с приближением к ее критическому значению
должны быть достаточно малы {щ!п > 0,9, где п — общее количество эта¬
пов приращения нагрузки; и, — /-й шаг последовательного нагружения, на
котором фиксируется потеря устойчивости). При несоблюдении этого ус¬
ловия величины критических нагрузок могут быть как занижены, так и за¬
вышены (до 30 %);
б)	нагрузочный коэффициент запаса по устойчивости (&/) для всей сис¬
темы, найденный нелинейным расчетом, должен быть не меньше 1,4.
В случае невыполнения условия «а» корректировался нагрузочный ко¬
эффициент &/. При ki< 1,4 (невыполнение условия «б») корректировалась
конструктивная схема. Далее проводился повторный расчет по п. 2.
56

Я1 (58%)	Я2 (100%)
57
Рис. 2.7. Определение для схемы 2. Зависимость относительных величин нагрузка—прогиб для т. А верхнего пояса.
•		с учетом выключения сжатых подвесок;	без выключения подвесок

В результате численных исследований были получены величины коэф¬
фициентов (р) и (А) для четырех исследуемых схем (рис. 2.8-2.11, табл.
2.7-2.10).
<?i (58%)	Я2 (100%)
Расчетная схема (f/L = 1/10)
Рис. 2.8. Схема 1. Первая форма потери устойчивости арки
А А а	при равномерной нагрузке; • • •	при неравномерной нагрузке
Таблица 2.7
Схема 1. Коэффициенты устойчивости (Я)
и расчетной длины (ц)
Схемы нагружения
к
Р
Уровень
предварительного
напряжения
eS:. j	i	1
10,52
0,48
—
11,6
0,52
Uq/unH =—1,0
12,12
0,51
= —0,5
Ч
tu'T i
10,58
0,4
—
Примечания:
1.	Критическая нагрузка = KEIIL3, где EI— изгибная жесткость арки в ее плос¬
кости.
2.	Расчетная длина верхнего пояса /0 = L p, где L - пролет арки.
3.	uq/unM — показатель уровня преднапряжения, где ия, ип н — перемещения шар¬
нирно-подвижного опорного узла «Б» от расчетной нагрузки и преднапряжения.
58

с
4,	(58%)	Ч2 (100%)
I >Ч I I I 1 II 'll I 1
к
и
к
L
<
Расчетная схема (fx/L = МЩ/21Ь = l/30;/j//2= 1,4)
Рис. 2.11. Схема 4. Первая форма потери устойчивости арки
А А А	при равномерной нагрузке; • • • — при неравномерной нагрузке
Таблица 2.10
Схема 4. Коэффициенты устойчивости (К)
и расчетной длины (р)
Схемы нагружения
К
Р
Pi
Р2
Я\
108
0,25
0,55
0,85
rWTl
35,6*
0,27*
0,6*
0,91*
ь
129
0,23
0,55
0,73
г~гУт~1
75,3*
0,25*
0,57*
0,82*
Примечания:
1.	Критическая нагрузка Рц> = K-EI/L?, где Е1 — изгибная жесткость арки в ее плос¬
кости.
2.	Расчетные длины верхнего пояса /0 = /,-р,: р — для полного пролета арки (.L), pi
и р2 — для среднего и крайнего участков арки (/ь /2).
3.	Uq/un H — показатель уровня преднапряжения, где ид, мп н — перемещения шар¬
нирно-подвижного опорного узла «Б» от расчетной нагрузки и преднапряжения.
4.	* — Расчет с учетом потери устойчивости сжатых V-образных стоек.
5.	Влияние предварительного напряжения на величины (К) и (р) менее 1 %.
61

Анализ результатов показал следующее:
-	максимальные коэффициенты расчетной длины верхнего сжато-изогну¬
того пояса в плоскости системы оказались для схем 1, 2 и 3 (р =
= 0,4-^0,58), для схемы 4 этот показатель уменьшается более чем в 2
раза (р = 0,25);
-	величины коэффициента устойчивости (АГ) для системы в целом соста¬
вили: для схемы 1 — И, для схемы 2 — 91, для схемы 3 — 117, для
схемы 4 — 108. Арочная система с лучевыми затяжками (схема 1)
имеет низкий коэффициент устойчивости, так как ввиду пологости
системы (f/L = l/\0) невозможно полностью использовать работу луче¬
вых затяжек;
-	выключение из работы комбинированной арочной системы подвесок
или стоек приводит к значительному (в 3^-4 раза) понижению показате¬
ля общей устойчивости. При этом коэффициенты расчетной длины
верхнего пояса увеличиваются не более чем на 10 %;
-	влияние предварительного напряжения на устойчивость системы незна¬
чительно (до 10 %);
-	комбинированная система, состоящая из выпуклого сжато-изогнутого
пояса, провисающего растянутого нижнего пояса и двух V-образных
стоек, объединяющих пояса (схема 4), — наиболее оптимальна по пока¬
зателям устойчивости.
На основании анализа рассмотренных вариантов институтом «Курорт-
проект» при участии ЦНИИСК им. Кучеренко [2.7, 2.8, 2.41] было предло¬
жено окончательное решение конструкции покрытия в виде комбиниро¬
ванной системы, состоящей из выпуклого сжато-изогнутого верхнего пояса
(арки), провисающего растянутого нижнего пояса и двух V-образных стоек,
объединяющих пояса (см. рис. 2.2).
§ 2.3. Научно-техническое сопровождение проектирования
2.3.1.	Нагрузки и воздействия [2.24]
Конструктивное решение покрытия обосновано в том числе комплекс¬
ными исследованиями климатических нагрузок. Здание Старого Гостино-
го Двора (совместно с примыкающими к нему строениями) имеет доста¬
точно сложную геометрическую форму, для которой в действующих нор¬
мативных документах [2.34] отсутствуют данные о снеговых и ветровых
нагрузках.
На величину и распределение этих нагрузок оказывают влияние два
основных фактора. Во-первых, при обтекании зданий, примыкающих к
Старому Гостиному Двору, происходит отрыв потока с их внешних кро¬
мок и формируется система вихрей. В результате этого на одних участках
покрытия повышается отрицательное давление (отсос), а на других —
могут появиться зоны с заметным положительным давлением, которые
отсутствуют на подобных покрытиях отдельно стоящих зданий. При
срыве вихрей изменяются закономерности отложения снега на покрытии
62

[2.9]. Примыкающие здания, возвышающиеся над его внешним конту¬
ром, препятствуют сносу снега с покрытия, способствуют увеличению
местных снеговых нагрузок. Во-вторых, Старый Гостиный Двор распо¬
ложен в месте достаточно плотной городской застройки, что также при¬
водит к изменению структуры ветрового потока и, как следствие, к из¬
менению ветровых и снеговых нагрузок [2.29, 2.31]. Оба фактора опре¬
делили необходимость модельных исследований, проведенных в
аэродинамической трубе фирмы У НИКОН (г. Новосибирск). На основа¬
нии результатов продувок разработаны рекомендации по назначению
расчетных снеговых и ветровых нагрузок, действующих на покрытие
Старого Гостиного Двора.
Снеговые нагрузки задавались лабораторией надежности ЦНИИСК
им. Кучеренко. На стадии эскизного проектирования для покрытия в ви¬
де однослойной стеклянной оболочки с обдувом внутренней поверхно¬
сти горячим воздухом рекомендовалось снеговую нагрузку принимать
равной 0,2-^0,3 кН/м2. На стадии «Проект» для конструкции с примене¬
нием двухслойных стеклопакетов были предусмотрены устройства,
обеспечивающие принудительное таяние снега на поверхности покры¬
тия. При этом снеговая нагрузка зависела от мощности и надежности
работы этих устройств, учитывалась возможность временного отказа
системы принудительного таяния снега. Была проработана система сне¬
готаяния с расчетами потребной мощности нагревательных систем и об¬
щего расхода энергии. Для этого случая предварительно рекомендова¬
лись следующие величины снеговых нагрузок: при отказе систем таяния
в течение суток — 0,38 кН/м2, 3 суток — 0,45 кН/м2, 7 суток — 0,6 кН/м2,
10 суток — 0,64 кН/м2, 14 суток — 0,7 кН/м2. Задавались требования по
учету «снеговых мешков». На стадии рабочего проектирования было
принято решение не учитывать искусственное снеготаяние на покрытии,
а расчетную величину равномерно распределенной снеговой нагрузки
рекомендовано принять равной 1,6 кН/м2 (в соответствии с требованиями
СНиП 2.01.07-85* изд. 1996 г.). С учетом коэффициента надежности по
ответственности снеговая нагрузка составила qs=\,92\i кН/м2 (у/=1,6,
у„=1,2). Расчетные схемы распределения снеговой нагрузки (рис. 2.12)
учитывали возможный перенос снега, профиль покрытия, периметраль¬
ную застройку, возвышающуюся над покрытием, фактическую розу вет¬
ров и т. п.
Проектируемое покрытие опущено внутрь двора и только его конек вы¬
ступает на 1-4,5 метра над уровнем мансардных строений. Снег с верхней
части такого покрытия, открытой прямому воздействию ветра, сносится
ветром, перемещаясь в сторону пазух, где скапливается. Учитывая, что в
Москве наблюдается значительный перенос снега на покрытиях зданий,
при определении снеговых нагрузок было сочтено целесообразным при¬
нять объем снегопереноса по СНиП 2.01.07-85, а именно около 80 % от об¬
щего количества выпадающих осадков. Расчетная интенсивность снегоот-
ложений на ряде участков превышала 5 кН/м2.
63

q5 (ц )	<7б №б)
Ветровая нагрузка принималась равной qw = 0,4 ср кН/м2 (Y/= 1А
у„ = 1,2). Суммарные аэродинамические коэффициенты давления ср на по¬
крытие определялись как разность коэффициентов внешнего се и внутрен¬
него ct давлений. Принято с, = ±0,2, так как суммарная площадь одновре¬
менно открывающихся проемов не превышает 5 % от общей площади по¬
крытия и стен. Знак «+» или «-» выбирался из условия наиболее
неблагоприятного варианта нагружения. Распределение аэродинамических
коэффициентов внешнего давления ср по результатам модельных испыта¬
ний для трех направлений ветра показано на рис. 2.13.
Аэродинамические исследования выявили, что на большую часть покры¬
тия действует отрицательное давление («отсос»). Максимальный аэродина¬
мический коэффициент не превышал ср = -0,6, а соответствующее значение
64

L a/4	a/4	|||	a/2
Рис. 2.13. Распределение аэродинамических коэффициентов внешнего давления ср
по результатам модельных испытаний для трех направлений ветра
ветровой нагрузки wp = -0,24 кН/м2, что существенно меньше собственного
веса стеклопакетов. Максимально возможное положительное давление вет¬
ра на покрытие — 0,10 кН/м2. С учетом вышеизложенного нормальная со¬
ставляющая ветровых нагрузок при расчетах несущих конструкций покры¬
тия не учитывалась, а горизонтальная составляющая учитывалась при про¬
верке связей.
Температурные климатические воздействия. Неблагоприятная
температура конструкций определялась в соответствии с требованиями
СНиП [2.34]. Возможная экстремальная температура конструкций для слу¬
чая неотапливаемого здания (этап монтажа) для условий г. Москвы соста¬
вила: в зимнее время -34 °С; в летнее время +64 °С. Диапазон изменений
температуры (при неизвестной температуре замыкания): понижение темпе-
5 Заказ 1067
65

ратуры от +64 °С до -4 °С (А = -68 °С); а повышение — от -34 °С до
+ 14 °С (А = +48 °С). Кроме того, бьши даны рекомендации по температур¬
ным климатическим воздействиям при смонтированных ограждающих
конструкциях (стеклопакеты) с учетом возможного отключения отопления
в зимний период. Расчетный диапазон падения температуры составил А =
= -26 °С, а возрастания (при двухслойных стеклопакетах) А = +69 °С.
Расчетная технологическая нагрузка (электроосвещение, отопление
и вентиляция, противопожарные системы), распределенная равномерно по
всей поверхности покрытия, принята равной 0,3 кН/м2. Учитывались сосре¬
доточенные силы 5 кН (от прожекторов, систем трансформации и т. п.).
Кроме того, постоянная расчетная нагрузка включала собственный
вес остекления с переплетами — 0,65 кН/м2 и собственный вес несущих
металлоконструкций — 0,85 кН/м2.
При определении всех расчетных нагрузок учитывался коэффициент
надежности по ответственности уп = 1,2 (для уникальных зданий и соору¬
жений).
2.3.2.	Численные исследования работы арочно-вантовой системы
Учет геометрической нелинейности. Принятый вариант техниче¬
ских решений обладает рядом особенностей, которые учитывались для
максимального приближения расчетной схемы к действительной работе
конструкций. Одной из таких особенностей является геометрическая нели¬
нейность системы. Необходимость расчета конструкции в линейной и не¬
линейной постановках обоснована численными исследованиями трех ароч¬
но-вантовых ферм (Ф2, Ф8, Ф13) пролетами 60, 70 и 80 м соответственно, с
примерно одинаковым отношением полной высоты конструкции к ее про¬
лету (/// = 1/14-^1/13), на нагрузку q = 51,7 кН/пм.
Выявлено (табл. 2.11), что этот фактор оказывает минимальное влияние
на расчетные сжимающие усилия в верхнем поясе системы (около 1 %) при
увеличении в нем изгибающих моментов на 16%. Усилия растяжения в
нижнем поясе возрастают также незначительно (на 1 %), но при этом кар¬
динально изменяются (уменьшаются более чем в 20 раз) расчетные изги¬
бающие моменты (рис. 2.14). Расчет только по деформированной схеме
позволяет учесть влияние растягивающих усилий в гибком нижнем поясе
на уменьшение в нем изгибающих моментов. При расчете в геометрически
нелинейной постановке уточняются расчетные величины усилий сжатия в
V-образных стойках (возрастают до 12 %).
Перемещения конструкции при расчете с учетом геометрической нели¬
нейности по сравнению с линейным расчетом изменились следующим об¬
разом: прогибы середины верхнего пояса возросли до 5 %, прогибы нижне¬
го пояса между шарнирами уменьшились более чем в 4 раза, до 9 %
уменьшились горизонтальные перемещения подвижного опорного узла.
Таким образом, исследования показали, что расчеты несущих конструк¬
ций атриума необходимо выполнять в геометрически нелинейной поста¬
новке.
66

Верхний пояс
Нижний пояс
+1120 А
+680 Д	I
Рис. 2.14. Эпюры изгибающих моментов в верхнем поясе (арке):
«А» (-а—о—а-) — линейный расчет; «Б» (-А А А-) — нелинейный расчет
Таблица 2.11
Максимальные расчетные усилия и перемещения
«А» — линейный расчет; «Б» — нелинейный расчет
Ферма Ф2
Ферма Ф8
Ферма Ф13
«А»
«Б»
«А»
«Б»
«А»
«Б»
1
2
3
4
5
6
. 7
у
N, кН
-5225
-5293
-6118
-6182
-6787
-6842
о
99%
100%
99%
100 %
99%
100%
с
«
Л/, Н м
-1156
86%
-1340
100%
-1305
92%
-1420
100%
-1278
88%
-1454
100%
57
CQ
ст, МПа
-173
92%
-187
100%
-197
96%
-206
100% |
-208
94%
-222
100%
5*
67

Окончание табл. 2.11
1
2
3
4
5
6
7
Нижний пояс
N, кН
+5194
99%
+5260
100%
+6090
99%
+6150
100%
+6703
99%
+6757
100%
М, Н м
-230
1885 %
-12,2
100%
-230
2000 %
-11,5
100%
-230
2054 %
-11,2
100%
а, МПа
+464
185%
+251
100%
+505
174%
+290
100%
+533
168 %
+318
100%
V-стойки
N, кН
-913
89%
-1020
100%
-602
89%
-676
100%
-397
93%
-427
100%
а, МПа
-90
89%
-100
100 %
-59
89%
-66
100%
-39
93%
-42
100%
WB.n., см
-24,7
96%
-25,8
100%
-32,3
97%
-33,4
100%
-38,3
97%
-39,4
100%
WH.n., СМ
-84,3
409 %
-20,6
100%
-92,9
324 %
-28,7
100%
-99,7
283 %
-35,2
100%
U оп.> СМ
1,8
106%
1,7
100%
3,6
109 %
3,3
100 %
5,5
108%
5,1
100%
и>в.п — вертикальное перемещение верхнего пояса в середине пролета;
wH.ii— вертикальное перемещение нижнего пояса в середине пролета;
и оп — горизонтальное перемещение шарнирно-подвижного опорного узла.
Моделирование последовательности этапов монтажа. Выполне¬
ны численные исследования трех ферм (Ф2, Ф8 и Ф13) в нелинейной по¬
становке без и с учетом последовательности монтажа. В первом варианте
геометрия ферм принималась окончательной по чертежам КМ, а расчетная
нагрузка от веса конструкций и равномерно распределенного снега
(q = 51,7 кН/пм) суммарной. Во втором варианте геометрия принималась по
чертежам КМД (монтажной), а нагрузки прикладывались поэтапно:
этап 1 — укрупнительная сборка фермы на земле в кондукторе. Расчетная
нагрузка от веса конструкции — qCB = 7,9 кН/пм (нижний пояс подвешен к
жесткому верхнему поясу; V-образные стойки разомкнуты);
этап 2 — раздвижка поясов домкратами до достижения проектной геометрии;
этап 3 — объединение V-образных стоек вставками, снятие домкратов;
этап 4 — подъем фермы на проектную отметку, монтаж прогонов и элемен¬
тов светопрозрачного покрытия. Расчетная нагрузка от прогонов, стеклопа¬
кетов с обрешеткой и технологического оборудования — qn = 20,4 кН/пм
(учитывалось снятие подвесок, крепящих нижний пояс к верхнему);
этап 5 — равномерно распределенная снеговая нагрузка — qs = 23,4 кН/пм.
Для численного моделирования использовался вычислительный ком¬
плекс, позволяющий выполнять расчеты в геометрически нелинейной по¬
становке с поэтапным видоизменением расчетной схемы (геометрия, коли¬
чество элементов, нагрузки, граничные условия).
68

Установлено (табл. 2.12), что минимальное влияние (1 %) рассматри¬
ваемый фактор оказывает на усилия сжатия в верхнем поясе системы, а
изгибающие моменты в нем уменьшаются до 30 %. Эта разница возрастает
с увеличением пролета конструкции и уменьшением отношения среднего
(/i) и крайнего (/2) участков (рис. 2.15, 2.16, 2.17). Расстояние между
V-образными стойками (/i) у всех ферм было одинаковым, пролет увеличи¬
вался за счет изменения длины крайних участков (/2). С уменьшением от¬
ношения 1\ / /2 положение максимального изгибающего момента в верхнем
поясе (табл. 2.13) смещается от узла его сопряжения с V-образной стойкой
к середине крайних участков. При учете последовательности монтажа рас¬
четные усилия растяжения и изгибающие моменты в нижнем поясе воз¬
растают незначительно (до 3 %), расчетные величины усилий сжатия в
V-образных стойках уменьшаются до 23 %.
Таблица 2.12
Максимальные расчетные усилия и перемещения
«Б» — без учета последовательности этапов монтажа;
«В» — с учетом монтажных этапов
Ферма Ф2
Ферма Ф8
Ферма Ф13
«Б»
«В»
«Б»
«в»
«Б»
«В»
о
N, кН
-5293
-5346
-6182
-6220
-6842
-6897
«
о
I-N
99%
100 %
99%
100%
99%
100%
«
М, Н м
-1340
+ 1385
-1420
+ 1132
-1454
-ИЗО
Я
S
97%
100 %
125 %
100%
129 %
100%
Он
и
CQ
а, МПа
-187
-192
-206
-189
-222
-199
97%
100%
109%
100 %
111 %
100%
N, кН
+5260
+5311
+6150
+6186
+6757
+6795
о
99%
100 %
99%
100%
99%
100%
«
МН-м
-12,2
-12,7
-11,5
-11,4
’ -П,2
-ил
1
96%
100%
101 %
100%
101 %
100 %
Я
а, МПа
+251
+253
+290
+292
+318
+320
99%
100 %
99%
100%
99 %
100%
К
N, кН
-1020
-860
-676
-552
-427
-347
о
119%
100%
122 %
100%
123 %
100%
н
0
1
>
а, МПа
-100
-84
-66
-54
-42
-34
119%
100 %
122%
100%
123 %
100%
WB.n, см
-25,8
-7,1
-33,4
-7,0
-39,4
-10,5
WH.n> СМ
-20,6
-36,9
-28,7
-67,8
-35,2
-96,8
U оп» СМ
и
-1,7
3,3
-2,1
5,1
-1,5
^в.п— вертикальное перемещение верхнего пояса в середине пролета;
wHn— вертикальное перемещение нижнего пояса в середине пролета;
и оп — горизонтальное перемещение шарнирно-подвижного опорного узла.
69

Этап 1: нагрузка от собственного веса несущей конструкции (7,9 кН/пм)
Этап 4: постоянная нагрузка от веса покрытия (20,4 кН/пм)
Этап 5: равномерно распределенная снеговая нагрузка (23,4 кН/пм)
Рис. 2.15. Эпюры изгибающих моментов и продольных усилий (ферма Ф2):
«А» ( • • • ) — нелинейный расчет с учетом последовательности монтажа;
«Б» (-Д—д—Д-) — нелинейный расчет без учета последовательности монтажа
70

(м), кНм	(n), кН
Этап 1: нагрузка от собственного веса несущей конструкции (7,9 кН/пм)
Этап 3: снятие домкратов, включение в систему V-образных стоек
-61 	||	 +13
-43 % tf-48
Этап 4: постоянная нагрузка от веса покрытия (20,4 кН/пм)
м-2384
к
+201
-516	4	г—^5—
1+2382
Этап 5: равномерно распределенная снеговая нагрузка (23,4 кН/пм)
-673	+9
Суммарные эпюры (5 этапов)
yfTv- -553 „
-J
-317 J
+2763
-6193 •
Рис. 2.16. Эпюры изгибающих моментов и продольных усилий (ферма Ф8):
«А»	) — нелинейный расчет с учетом последовательности монтажа;
«Б» (-А А- А-) — нелинейный расчет без учета последовательности монтажа
71

(м), кНм	(n), кН
Этап 1: нагрузка от собственного веса несущей конструкции (7,9 кН/пм)
L‘2«
у
lf+1243
Этап 2: раздвижка поясов домкратами (д/г = 0,85 м)
+499	+497 1
+107
107
Этап 3: снятие домкратов, включение в систему V-образных стоек
Этап 4: постоянная нагрузка от веса покрытия (20,4 кН/пм)
Этап 5: равномерно распределенная снеговая нагрузка (23,4 кН/пм)
Рис. 2.17. Эпюры изгибающих моментов и продольных усилий (ферма Ф13):
«А» ( • • • ) — нелинейный расчет с учетом последовательности монтажа;
«Б» (-А—А--А-) — нелинейный расчет без учета последовательности монтажа
72

Величины перемещений по двум вариантам расчета оказались несопос¬
тавимыми, так как в первом случае не учитываются перемещения от раз¬
движки поясов. Горизонтальные перемещения подвижного опорного узла
отличаются не только количественно, но и качественно — имеют обратный
знак (табл. 2.13).
Таблица 2.13
Расположение сечений с максимальными изгибающими моментами
в верхнем поясе
Пролет L, м
h!h
Расчет без учета
монтажных этапов
Расчет с учетом последова¬
тельности монтажа
60.684 (Ф2)
1,84
0,5 L
сопряжение V-образной
стойки с верхним поясом
70.712 (Ф8)
1,40
0,51г
сопряжение V-образной
стойки с верхним поясом
79.070 (Ф13)
1,16
0,6 /2
о
ON
кГ4
Примечание: для всех указанных в таблице пролетов 1\ = 29,084 м; f/L = 1/14.
^2
h
^2
L
Геометрическая схема к табл. 2.13
Расчет с учетом последовательности монтажа позволяет уточнить рас¬
четные усилия в элементах в сторону их уменьшения, определить располо¬
жение сечений с максимальными напряжениями, выявить действительную
геометрию конструкции после монтажа.
Работа несущих конструкций на стадии предварительного на¬
пряжения. Для включения в работу гибкого нижнего пояса (выборка на¬
чальных несовершенств, люфтов) выполнялось предварительное напряже¬
ние системы. С использованием в расчетной схеме стержня с изменяемой
длиной, моделирующего домкрат, проведены численные исследования трех
ферм при различных величинах раздвижки поясов (от 30 до 90 см). Резуль¬
таты приведены в табл. 2.14, где: wBn и wHn — вертикальные перемещения
поясов в точках расположения домкратов; Ah — увеличение там же высоты
конструкции; и — горизонтальное перемещение подвижной опоры; Уд, Nm,
NHn — усилия в домкрате, верхнем и нижнем поясах.
Анализ результатов исследований показал, что для раздвижки поясов на
значительные расстояния (до 100 см) требуются относительно небольшие
усилия (до 100 кН). Увеличение высоты ферм при предварительном напря¬
жении происходит в основном из-за кинематических перемещений системы,
73

обусловленных шарнирно-подвижным опорным узлом. Это же определяет
практически нулевые изменения продольных усилий в поясах. Изгибающие
моменты по длине верхнего пояса от предварительного напряжения и
внешних нагрузок имеют разный или одинаковый знак. В сечениях с мак¬
симальными напряжениями эти моменты складываются, при этом вклад
предварительного напряжения достигает 16 %.
Таблица 2.14
Расчетные характеристики напряженно-деформированного состояния
арочно-вантовых ферм на стадии предварительного напряжения
Пролет L, м
wBn, см
wHn, СМ
Ah, см
и, см
Мд, кН
Д^ВП» кВ
Д^нп» кВ
60.684 (Ф2)
11,1
-18,9
30,0
-3,3
-104
-905
905
70.712 (Ф8)
16,8
-43,2
60,0
-5,3
-82
-1041
1041
79.070 (Ф13)
18,4
-66,5
85,0
-6,2
-70
-1136
1136
Примечание: усилия и перемещения приведены с учетом нагрузки от собствен¬
ного веса конструкции.
Работа системы на температурные воздействия. Выполнены ис¬
следования работы ферм при максимально возможных температурных пе¬
репадах и одновременном приложении постоянной нагрузки. Максималь¬
ные горизонтальные перемещения опорных узлов для ферм Ф2, Ф8, Ф13
соответственно составили:
при = -68 °С	и2 = -48,0 мм;	и8 = -56,0 мм;	и13 = -62,6 мм;
при Д/2 = +69 °С	и2 = 50,2 мм;	щ = 58,5 мм;	щ3 = 65,6 мм.
Максимальные вертикальные перемещения середины верхнего пояса:
' приД/1=-68°С	w2 = — 1,9 мм;	w8 = -2,6 мм;	w\3 = -3,3 мм;
при Д/2 = +69 °С	w2 = 2,0 мм;
То же для нижнего пояса:
при Д/i = -68 °С	w2= 1,6 мм;
при Д/2 = +69 °С	w2 = -1,7 мм;
w8 = 2,7 мм; Wo = 3,4 мм.
w8= 1,6 мм;
w8 = -1,6 мм;
и>1з =1,5 мм;
W\3 =—1,6 ММ.
Анализ показал, что в элементах арочно-вантовой фермы с шарнирным
сопряжением поясов с распорками и шарнирно-подвижным опорным узлом
не возникает существенных усилий от температурных воздействий. Влия¬
ние рассматриваемого фактора отражается только на перемещениях систе¬
мы, в основном горизонтальных.
74

Анализ вариантов узловых сопряжений. В ряде случаев по архитек¬
турным и эксплуатационным требованиям (при отсутствии динамических
воздействий на систему) растянутый нижний пояс комбинированной
арочной фермы проектируется неразвязанным из плоскости конструкции.
Для увеличения его изгибно-крутильной жесткости усиливаются узлы
соединения стоек с поясами, что приводит к заглушению в этих местах
шарниров. Растянутый нижний пояс имеет два перелома в местах сопря¬
жения с V-образными стойками и два узла сопряжения с верхним поясом
на опорах. В расчетах рассматривались варианты выполнения этих узлов
жесткими и шарнирными.
Результаты численных исследований этих конструктивных решений
приведены в табл. 2.15. Расчеты выполнялись с учетом последовательности
монтажа конструкции, что позволило смоделировать исключение шарниров
после завершения монтажа, когда на покрытие воздействуют только клима-
Таблица 2.15
Изгибающие моменты и напряжения при исключении шарниров
I	- шарниры во всех узлах (сечения 1, 2) на всех этапах нагружения;
II	- заглушка шарниров после завершения монтажа покрытия в сечении 2;
III	- заглушка шарниров после завершения монтажа покрытия в сечениях 1, 2
№
сече¬
ния
Ферма Ф2
Ферма Ф8
Ферма Ф13
I
II
III
I
II
III
I
II
III
1
М,
кН-м
0
0
-35
0
0
-57
0
0
-85
СУ,
МПа
230
230
264
277
277
333
309
308
392
100%
100%
115%
100%
100%
120%
100%
100%
127%
2
М,
кН-м
0
-54
-52
0
-57
-55
0
-59
-57
<У,
МПа
241
294
293
281
337
335
308
366
364
100%
122%
121%
100%
120%
119%
100%
119%
118%
3
м,
кН-м
-27
-36
4
9
0,4
58
94
87
17
СУ,
МПа
-91
-91
-89
-108
-108
-112
-127
-126
-132
100%
101%
98%
100%
99%
103%
100%
99%
104%
4
(4а*)
н.
кН-м
1390
1390
1390
ИЗО
1140
1140
ИЗО*
ИЗО*
1120*
су,
МПа
-192
-192
-192
-189
-189
-189
-199*
-199*
-198*
100%
100%
100%
100%
100%
100%
100%
100%
99%
5
м
кН-м
0
-8
-9
0
-3
-4
0
-1
-2
СУ,
МПа
-84
-99
-102
-54
-60
-63
-34
-35
-38
100%
117%
121%
100%
110%
116%
100%
102%
112%
75

4
Схема сечений к табл. 2.15
тические нагрузки. Исследования показали, что исключение шарниров в
этом случае незначительно влияет на работу верхнего пояса (максимальные
напряжения возрастают до 4 %). В нижнем поясе максимальные напряже¬
ния увеличиваются на 20 % в случае исключения шарниров сопряжения
нижнего пояса и V-образных стоек и на 30 % — при исключении всех шар¬
ниров. В V-образных стойках дополнительные изгибающие моменты уве¬
личивают максимальные напряжения на 20 %.
Численное моделирование напряженно-деформированного состо¬
яния арочно-вантовой системы. С учетом результатов исследований
проведены поверочные расчеты несущих конструкций покрытия Старого
Гостиного Двора. Каждая из ферм рассчитывалась на наиболее неблаго¬
приятные сочетания нагрузок и воздействий на стадиях монтажа (четыре
этапа) и эксплуатации (различные варианты распределения снеговой на¬
грузки). Некоторые результаты расчетов с максимальными величинами
напряжений (по прочности) и перемещений приведены в табл. 2.16, где:
о“вп> <Унш с7СТ— напряжения в верхнем и нижнем поясах и V-образных стой¬
ках; wm, и>нп — вертикальные перемещения верхнего и нижнего поясов;
и — горизонтальные перемещения подвижного опорного узла.
Таблица 2.16
Результаты расчета несущих конструкций покрытия Гостиного Двора
(максимальные значения)
№
фермы
Варианты
снеговых
нагрузок
Суммарные результаты при различных вариантах
снеговых нагрузок
О’вп»
МПа
С*НП>
МПа
°ст,
МПа
wBn,
см
СМ
и,
см
1
2
3
4
5
6
7
8
Ф2
(L = 60 м)
1
IIIIIIIIIIIIIIIIII
-191,8 [3]
251,5 [9]
-83,3
-7,0 [4]
-36,8 [9]
-1,6 [7]
2
thmrnmWl
-133,8 [1]
188,5 [9]
-27,9
2,3 [3]
-34,9 [9]
-2,2 [7]
3
Ibmnnmnm
-146,5 [5]
182,3 [8]
-57,1
4,6 [5]
-34,6 [9]
-2,3 [7]
4
rtiiiiiinirTfTfll
-224,0 [3]
223,6 [10]
-98,7
7,3 [3]
-37,2 [9]
-2,1 [7]
76

Окончание табл. 2.16
1
2
3
4
5
6
7
8
Ф8
С1 = 70 м)
1
I1II111I11111I111I
-189,0 [3]
291,5 [9]
-54,0
-7,0 [4]
-67,8 [9]
-2,1 [7]
2
-157,5 [1]
214,8 [8]
-30,9
4,2 [3]
-62,0 [9]
-3,2 [7]
3
IWn_
-156,5 [1]
212,0 [8]
-41,9
6,7 [5]
-61,4 [9]
-3,3 [7]
4
ГГшпптттППП
-216,5 [3]
254,1 [10]
-113,3
9,1 [3]
-66,0 [9]
-3,0 [7]
Ф13
(L = 80 м)
1
IIHIIIIIIIIIIIIII
-199,3 [2]
319,6 [10]
-34,2
-10,6 [4]
-96,8 [9]
-1,5 [7]
5
птптпт! 11111111
-215,4 [3]
324,3 [10]
-49,6
-11,9 [6]
-97,3 [9]
-1,5 [7]
Примечания:
1.	Величина раздвижки поясов на этапе преднапряжения для Ф2 — 0,3 м; Ф8 — 0,6 м;
Ф13 — 0,85 м.
2.	В скобках приведены номера сечений.
Максимальные напряжения при проверке устойчивости приведены в
табл. 2.17^-2.19. Суммарные эпюры изгибающих моментов, продольных
усилий, напряжений и вертикальных перемещений при различных вариан¬
тах распределения снеговой нагрузки приведены на рис. 2.18-^2.20.
Таблица 2.17
Максимальные напряжения в верхнем поясе при расчете на
устойчивость (центральный участок менаду V-образными стойками — 1Х)
№
фермы
Рх1
^ох Ь М
N, кН
а, МПа
(по прочности)
с, МПа
(по устойчивости)
ДкНм
Ф2
(L = 60 м)
0,611
17,78
-4260
-224
-264
2105
Ф8
(L = 70 м)
0,616
17,93
-4730
-217
-263
1884
Ф13
С1 = 80 м)
0,621
18,07
-6810
-215
-278
1358
77

+2104 а
+1385 □
+804 о
+544 х
М), кНм
+ 1385 □
+1177х
+804 о
-5346 □
-4258 а
-3764 о
-3597 х
(N), кН
+5311 □
+4232 а
+3744 о
+3578 х
-5346 □
-4252 а
-3764 о
-3600 х
•5070 а
4671 а
■3786 о
3395 х
-224 а
-192^
-123 о
-102 х
+7,2 а
+2,3 о
+ 1,4 х
-2,5 о
+252 °
+209 а
+189 о
+183 х
(vv), см
-7,1 □
-6,1
-0,9 а
-2,5
+1,2 о
+2,3
+1,8 х
+4,5
-36,9 □
-35,0 а
-34,0 о
-33,6 х
Рис. 2.18. Суммарные эпюры изгибающих моментов, продольных
усилий и вертикальных перемещений (ферма Ф2) для различных
вариантов распределения снеговой нагрузки:
—о—□	схема 1 И И И И ИIIИ ИМ ; -о-о-о	схема2 thnnnnniJ;
-х-х—х	схема 3 [hi гг тип пт; -Д—Д—Д	схема 4 втшшсгИГП
78

-6220 □
-4726 а
-4327 о
-4158 х
®, кН
-6220 □
-4717 а
-4327 о
-4161 х
+6186 □
+4702 а
+4308 о
+4141 х
+291,5 □
+227,5 а
+210,8 о
+203,8 х
(w), см
+9,1 А
-7,0 □
+6,4
+3,8 о
+1,9 а
+3,8
+2,9 х
+3,8 о
-3,8
-3,8 □
+4,5 х
-5,3
-67,8 □
-63,4 а
-62,0 о
-61,4 х
6116 □
5326 а
4493 о
4051 х
Рис. 2.19. Суммарные эпюры изгибающих моментов, продольных
усилий и вертикальных перемещений (ферма Ф8) для различных
вариантов распределения снеговой нагрузки:
—□—□	схема 1 ШШШПШШ1;-о—о—о	схема2 tWnnnnJ;
-х—х—х	схема 3 tbrnnurrmni; -д—д—д	схема 4 ИипишпИГВ
79

(w), CM
Рис. 2.20. Суммарные эпюры изгибающих моментов, продольных
усилий и вертикальных перемещений (ферма Ф13) для различных
вариантов распределения снеговой нагрузки:
-о-о—□	схема 1 111111111111111111; -Д—Д—Д	схема 5 тттттгтШ11111П
Таблица 2.18
Максимальные напряжения в верхнем поясе при расчете на
устойчивость (крайний участок от V-образных стоек к опорам — /2)
№
фермы
Рх2
А)х2> м
N, кН
а, МПа
(по прочности)
ст, МПа
(по устойчивости)
А/, кН м
Ф2
(L = 60 м)
0,972
15,36
-4670
-173
-202
1286
Ф8
(L = 70 м)
0,887
18,47
-5330
-204
-260
1565
Ф13
(L = 80 м)
0,816
20,40
-6960
-206
-290
1200
80

Таблица 2.19
Максимальные напряжения в V-образных стойках при расчете на
устойчивость
№
фермы
$
и
£
/0, м
N, кН
а, МПа
(по прочности)
а, МПа
(по устойчивости)
М, кН м
Ф2
(L = 60 м)
1,0
3,96
-1009
100
-120
—
Ф8
(L = 70 м)
1,0
4,81
-1156
-ИЗ
-146
—
Ф13
(L = 80 м)
1,0
5,62
-506
-50
-71
—
Выявлено, что односторонняя снеговая нагрузка является определяю¬
щей при проверке прочности и устойчивости всех элементов системы. Доля
напряжений от снеговой нагрузки составила 5(Н60 % от их суммарных
величин. В верхнем поясе преобладают напряжения от изгибающего момен¬
та (70 %), а в нижнем — от растягивающего усилия (95 %). Установлено, что
все несущие элементы конструкции покрытия при воздействии на них рас¬
четных нагрузок с учетом коэффициента надежности по назначению уп = 1,2
находятся в упругой стадии работы. При этом коэффициенты запаса по
прочности и устойчивости составляют: для сжато-изогнутого верхнего пояса
1,2; для растянутого нижнего пояса 1,17; для V-образных стоек 1,38.
По результатам численных исследований выполнен анализ деформатив-
ности конструкции (табл. 2.20-^2.22). При определении максимальных го¬
ризонтальных перемещений опорного узла (см. табл. 2.20) учитывались
различные сочетания нагрузок и воздействий:
сочетание 1 (4 + 5 + 6) — и2 = -31,6 мм; щ = -24,2 мм; = -15,4 мм;
сочетание 2 (4 + 7)	— и2= 57,8 мм; щ = 73,5 мм; и\3 = 87,6 мм.
Таблица 2.20
Горизонтальные перемещения подвижного опорного узла
№
п/п
Стадия работы
Ф2
Ф8
Ф13
М2, ММ
щ, мм
Wi3, мм
1
Нагрузка от с.в. несущих конструкций
3,9
8,0
12,8
2
Предварительные напряжения системы
-37,0
-61,3
-74,9
3
Раскружаливание системы
0
0
0
4
Постоянная нагрузка
7,6
15,0
22,2
5
Снеговая нагрузка (максимум)
8,8
16,8
25,0
6
Температурные воздействия -66 °С
-48,0
-56,0
-62,6
7
Температурные воздействия +69 °С
50,2
58,5
65,4
6 Заказ 1067
81

Таблица 2.21
Вертикальные перемещения центра верхнего пояса
№
п/п
Стадия работы
Ф2
Ф8
Ф13
vv2, мм
vv8, мм
w13, мм
1
Нагрузка от с.в. несущих конструкций
-52,2
-73,1
-90,1
2
Предварительные напряжения системы
193,8
277,9
308,8
3
Раскружаливание системы
0,2
0,1
0,1
4
Постоянная нагрузка
-94,3
-123,4
-146,3
5
Снеговая нагрузка (максимум)
-118,7
-151,6
-178,0
6
Температурные воздействия -66 °С
-1,9
-2,6
-3,3
7
Температурные воздействия +69 °С
2,0
2,7
3,4
Таблица 2.22
Вертикальные перемещения центра нижнего пояса
№
п/п
Стадия работы
Ф2
Ф8
Ф13
w2, мм
Wg, мм
w13, мм
1
Нагрузка от с.в. несущих конструкций
-29,2
-51,2
-71,3
2
Предварительные напряжения системы
-161,5
-382,4
-598,8
3
Раскружаливание системы
0
-0,1
-0,1
4
Постоянная нагрузка
-136,1
-160,1
-180,9
5
Снеговая нагрузка (максимум)
-42,9
-84,4
-117,1
6
Температурные воздействия -66 °С
i,6
1,5
1,5
7
Температурные воздействия +69 °С
-1,7
-1,6
-1,6
Максимальные горизонтальные перемещения опорного узла вдоль фер¬
мы составили от 32 мм (внутрь) до 88 мм (наружу). Максимальные относи¬
тельные прогибы от снеговой нагрузки не превышали 1/440 пролета; отно¬
сительный перекос поверхности покрытия в вертикальной плоскости —
0,45 мм на один погонный метр вдоль длины покрытия и 6,0 мм в попереч¬
ном направлении.
Динамические характеристики системы. Для оценки динамической
реакции арочно-вантовых ферм покрытия были определены собственные
частоты фермы Ф13 (с максимальным пролетом) при двух уровнях нагру¬
жения покрытия: только постоянной и суммарной постоянной и снеговой
нагрузками. Граничные условия системы принимались в соответствии с
проектным решением: узлы верхнего пояса имели две степени свободы (по
вертикали и вдоль фермы), а узлы нижнего пояса имели три степени свобо¬
ды (по вертикали, вдоль фермы и из плоскости фермы). Результаты дина¬
мических расчетов (табл. 2.23 и 2.24) показали, что ферма оказалась доста-
82

точно гибкой, как в вертикальной (2-я форма), так и в горизонтальной (3-я
форма) плоскостях. Соответствующие собственные частоты лежат в интер¬
вале 1-4,2 Гц. Следовательно, по этим направлениям в элементах фермы
при гипотетических интенсивных динамических воздействиях могут воз¬
никнуть дополнительные усилия и перемещения.
Таблица 2.23
Собственные значения, частоты, периоды колебаний (ферма Ф13) при
постоянной нагрузке
№
п/п
Собственные
значения
Частоты
Периоды
Коэффициенты
формы колебаний
1/с
Гц
с
1
0,18846
5,3063
0,8450
1,18350
0,3175983
2
0,15508
6,4485
1,0268
0,97387
0,0203245
3
0,13291
7,5242
1,1981
0,83464
0,0133181
4
0,09411
10,6255
1,6920
0,59103
0,0764879
5
0,06954
14,3797
2,2898
0,43673
0,0432479
6
0,06432
15,5463
2,4755
0,40395
0,0031454
7
0,06210
16,1031
2,5642
0,38999
0,0344859
8
0,05698
17,5503
2,7946
0,35783
0,0024681
9
0,05128
19,5015
3,1053
0,32203
0,0236867
10
0,05115
19,5510
3,1132
0,32121
0,0235673
Таблица 2.24
Собственные значения, частоты, периоды колебаний (ферма Ф13) при
постоянной и равномерной снеговой нагрузках
№
п/п
Собственные
значения
Частоты
Периоды
Коэффициенты
формы колебании
1/с
Гц
с
1
0,21582
4,6335
0,7378
1,35534
0,0201260
2
0,18074
5,5328
0,8810
1,13505
0,0129869
3
0,13996
7,1447
1,1377
0,87897
0,1751842
4
0,09085
11,0075
1,7528
0,57052
0,0033084
5
0,08024
12,4623
1,9845
0,50392
0,0025810
6
0,07003
14,2789
2,2737
0,43981
0,0423544
7
0,06110
16,3673
2,6063
0,38369
0,0044746
8
0,04981
20,0778
3,1971
0,31278
0,0123357
9
0,04649
21,5115
3,4254
0,29194
0,0193249
10
0,03953
25,2980
4,0284
0,24824
0,0140760
2.3.3.	Исследования устойчивости арочно-вантовой системы [2.15]
Приведенный в § 2.2 анализ результатов численных исследований рабо¬
ты различных вариантов комбинированных арочных систем с отношением
6*
83

полной высоты конструкции к пролету — f/L = 1/10 показал, что схема с
V-образными стойками имеет наилучшие показатели по прочности, устой¬
чивости и деформативности. Для выявления особенностей работы и опре¬
деления рациональных параметров этой схемы были выполнены дополни¬
тельные исследования:
-	устойчивости арочной системы из ее плоскости с нижним поясом, не
имеющим в этом направлении связей;
-	устойчивости V-образных стоек с упругоподатливыми связями из плос¬
кости арочной системы;
-	нахождение оптимального положения V-образных стоек по критерию
равноустойчивости участков верхнего пояса арки;
-	выявление оптимального отношения полной высоты конструкции к ее
пролету (f/L) по критерию устойчивости V-образных стоек.
Принципиальная схема работы элементов рассматриваемой системы ха¬
рактеризуется следующим. Сжато-изогнутый верхний пояс в вертикальной
плоскости представляет собой многопролетный неразрезной криволинейный
стержень с линейными и угловыми упругоподатливыми связями в местах
сопряжения с V-образными стойками, а в горизонтальной плоскости —
многопролетную неразрезную балку. Крутильная жесткость верхнего пояса
увеличена за счет его связи с прогонами дополнительными подкосами
(рис. 2.5, Э). Провисающий нижний пояс — ломаная растянутая затяжка, а
сжатые V-образные стойки — двухшарнирные стержни, у которых узел со¬
пряжения с верхним поясом неподвижный, а другой имеет упругоподатли¬
вую связь из плоскости конструкции в месте сопряжения с нижним поясом.
Устойчивость арочно-вантовой системы из ее плоскости. Устой¬
чивость сжато-изогнутого верхнего пояса в горизонтальной плоскости
обеспечивается прогонами и связевым блоком в средней части покрытия
при расчетной длине, равной шагу прогонов (5 м). Нижний пояс в пролете
не имеет связей в этом направлении. Такое решение принято по архитек¬
турным и эксплуатационным требованиям с учетом того, что динамические
воздействия на несущие конструкции отсутствуют. При этом ввиду воз¬
можных несовершенств изготовления и монтажа, эксцентриситетов в узлах
сопряжения элементов и т. п. в системе могут возникнуть усилия, выводя¬
щие нижний пояс из плоскости.
Для выявления характера работы арочно-вантовой фермы с не развязан¬
ным из плоскости нижним поясом были выполнены численные исследова¬
ния при варьировании следующих параметров: отношение стрелы подъема
верхнего пояса к нижнему — f/f = 1 -г-4 (при пролете L = 70 м и f/L = 1/10);
погонная равномерно распределенная нагрузка — # = 24-^83 кН/пм (соот¬
ветствующее усилие растяжения в нижнем поясе — Nm = 2000-^7000 кН);
условная поперечная (возмущающая) сила —	^ от 20,4 до 30,6 кН.
Под воздействием поперечных сил ломаный нижний пояс отклоняется
от вертикальной плоскости, поворачиваясь на угол а, а стойка отклоняется
— на угол р. Величины углов поворота неравны (а > Р), так как центры
вращения элементов не совпадают. У стойки это точка сопряжения с верх-
84

ним поясом (02), а ось вращения нижнего пояса проходит через опорные
узлы (Oi — Oi) (рис. 2.21). В результате в нижнем поясе, в местах сопря¬
жения со стойками, возникают дополнительные усилия, препятствующие
свободным перемещениям элементов из плоскости системы. Рассматривае¬
мая арочно-вантовая система с
неразвязанным нижним поясом
геометрически неизменяема. Ве¬
личина отпорности упругоподат¬
ливых связей из плоскости сис¬
темы в этих точках зависит в
основном от двух параметров:
отношения стрелы подъема верх¬
него пояса к нижнему — f\lf2 и
усилия растяжения нижнего поя¬
са. С уменьшением стрелы про¬
виса (f2) угол поворота нижнего
пояса (а) увеличивается, а уси¬
лия растяжения в нижнем поясе
и реакция отпора возрастают.
При этом перемещения элемен¬
тов из плоскости конструкции
уменьшаются (рис. 2.22).
ш
Рис. 2.22. Влияние отношения стрел подъ¬
ема (yj) к провису (f2) на перемещение из
плоскости нижнего пояса (т. А) при воз¬
действии ОТКЛОНЯЮЩИХ СИЛ (боткл )
85

Вертикальная нагрузка (<q) влияет на величину горизонтального пере¬
мещения нижнего пояса следующим образом. При отклонении нижнего
пояса из плоскости продольное усилие в нем (А^.п) раскладывается на две
составляющие — силу, действующую вдоль пояса, и поперечную силу,
уравновешивающую отклоняющее воздействие. С ростом вертикальной
нагрузки увеличиваются усилие растяжения в нижнем поясе и соответст¬
венно величина поперечной составляющей, в результате чего рост горизон¬
тальных перемещений затухает (рис. 2.23).
Схема к рис. 2.23 и 2.24
(q, кН/пм) NH п, кН
(82,9)
(7U)
(59,4)
(47,6)
(35.8)
(23.9)
Рис. 2.23. Влияние усилия растяжения нижнего пояса (NHn) на его
перемещения из плоскости (т. А) при воздействии отклоняющих сил:
-0-0-0	Сатхл 1 = 20,4 КН;		£?откл2 = 30,6 кН
Горизонтальные воздействия на арочно-вантовую систему могут возни¬
кать в процессе монтажа или при эксплуатации. Для оценки влияния по¬
следовательности приложения нагрузок на величину перемещений нижнего
пояса из плоскости конструкции были выполнены два варианта расчетов. В
первом случае на этапе 1 прикладывалась вертикальная расчетная нагрузка
(<q\ а на этапе 2 (продолжение счета) — отклоняющие поперечные силы
(болел)- Во втором — нагрузка и отклоняющие силы прикладывались одно¬
временно, равными порциями. Выявлено, что результаты отличаются ин¬
тенсивностью роста перемещений, совпадая количественно на последнем
шаге нагружения (рис. 2.24).
86

Рис. 2.24. Зависимость нагрузка—перемещение нижнего пояса из его
плоскости (т. А):
А А А	расчет в 2 этапа (этап 1 — приложение вертикальной нагрузки,
этап 2 — (продолжение счета) приложение отклоняющих сил); -Д- -Ь- А	расчет
в 1 этап (одновременное приложение вертикальной нагрузки и отклоняющих сил)
Исследования выполнялись в реальном диапазоне изменения величин
вертикальной нагрузки и соответствующих продольных усилий в нижнем
поясе (У„.п = 2000-7000 кН). Условные отклоняющие поперечные силы
(С?откл) принимались по формуле (23)* СНиП П-23-81* равными 20,4 и 30,6
кН, соответственно для сталей С245 и С375, из которых может выполнять¬
ся конструкция.
Устойчивость V-образных стоек. В арочно-вантовой системе верх¬
ний пояс и V-образные стойки могут терять устойчивость при разных
уровнях нагрузки. Выполнены численные исследования работы системы с
двумя вариантами густоты разбиения V-образных стоек на конечные эле¬
менты (wVcT). Исследования показали (рис. 2.25, а, б), что при принятых
геометрических и жесткостных параметрах V-образные стойки теряют ус¬
тойчивость раньше верхнего пояса. Величина критической нагрузки V-стоек
оказалась на 20 % ниже, чем у верхнего пояса.
Дальнейшие исследования устойчивости стоек выполнялись для двух
вариантов нагружения системы: с учетом этапов монтажа и без них, при
различных величинах отклоняющих поперечных сил (£?откл) в зависимости
от случайных эксцентриситетов. Анализ результатов исследований пока¬
зал (рис. 2.26), что влияние раздельного учета этапов монтажа на величи¬
ну критической нагрузки V-стоек незначительно (до 3 %), учет несовер¬
шенств (эксцентриситеты, погиби в интервале e/h = 1/68(Н 1/140) в эле¬
ментах V-стоек понижает уровень критической нагрузки до 5 %, характер
работы стоек в плоскости и из плоскости исследуемой арочно-вантовой
системы одинаков — разница критических нагрузок q^x и q^y оказалась
менее 1 %.
87

т. А
Расчетная схема
я)
q, кН/пм
т. А
«)
q, кН/пм
225
180 Н
135
90
45
0
т.Б
1
<7кр2=<
i 1
Н\23
1
6 кН/пм
О
0,5
1,0
1,5
2,0
2,5
г10’
Рис. 2.25. Зависимость нагрузка—перемещение конструкции в верти¬
кальной плоскости (определение уровня критической нагрузки — q^):
а — верхний пояс (т. А); б — V-образные стойки (т. Б);	о- — при густо¬
те разбиения стойки т = 1; -о—о—о	при густоте разбиения стойки т = 10;
■ ■		при т = 10 и учете начальных несовершенств стойки (e/h = 1/675)
88

q, кН/пм
т.Б
Рис. 2.26. Зависимость нагрузка—перемещение конструкции в вертикальной
плоскости (определение уровня критической нагрузки для V-образных стоек):
» » »	расчет в 1 этап, q^ = 236 кН/м; -о—о—о	расчет в 2 этапа, q^ = 234 кН/м;
■ ■ ■	расчет в 2 этапа с учетом несовершенств стоек (e/h = 1/675), q^ = 234 кН/м;
-А-А- А	расчет в 2 этапа с учетом несовершенств стоек {e/h = 1/135),	= 227 кН/м
Для выявления расчетных длин V-образных стоек выполнены числен¬
ные исследования при различных отношениях полной высоты арочно¬
вантовой системы к ее пролету — f!L = 1/15-^ 1/6. Величина пролета (L)
была принята постоянной. По критическим сжимающим усилиям (Nщ) оп¬
ределены коэффициенты расчетной длины (р) элементов V-образных стоек.
Показано, что при различных отношениях //L, величинах случайных экс¬
центриситетов (е), отклоняющих горизонтальных сил (0откл)> геометриче¬
ских и жесткостных параметрах элементов системы коэффициенты расчет¬
ной длины V-образных стоек в плоскости (рх) и из плоскости (р>,) равны:
\ix = \\у= 1,0. При принятом сечении стоек и минимальном отношении вы¬
соты конструкции к ее пролету (f/L= 1/15) стойки имеют минимальную
гибкость (X = 65), но в них возникают максимальные усилия сжатия. С уве¬
личением высоты конструкции усилия сжатия в стойках уменьшаются, при
этом значительно увеличивается их гибкость (при f/L= 1/6, Х = 160). При
отношении полной высоты конструкции к ее пролету (/7L), равной 1/10,
89

работа V-образных стоек по крите¬
рию устойчивости оказалась опти¬
мальной (рис. 2.27).
Оптимизация геометрических
параметров конструктивной
схемы с учетом устойчивости
системы. Выполнены численные
исследования арочно-вантовой сис¬
темы с различными отношениями
пролетов среднего (/i) и крайнего (/2)
участков верхнего пояса в интервале
1\И2 = 0,8-1,6. Цель исследований —
отыскание оптимального положения
V-образных стоек по критерию ра¬
венства напряжений по длине верх¬
него пояса арки и минимальной деформативности системы. Расчеты вы¬
полнялись в геометрически нелинейной постановке.
Получены коэффициенты устойчивости (К) для системы в целом и ве¬
личины расчетной длины (р) участков верхнего сжато-изогнутого пояса в
плоскости системы (табл. 2.25, рис. 2.28, а). Построены графики зависимо¬
сти гибкости участков верхнего пояса от соотношения их пролетов
(рис. 2.28, б). Выполнена проверка прочности и устойчивости верхнего
пояса по нормативной методике [2.22, 2.32, 2.38] для определения опти¬
мального расположения V-образных стоек (рис. 2.28, в).
Ящ>/Я
fH
Рис. 2.27. Влияние отношения высоты
конструкции к пролету (f/L) на устой¬
чивость V-образных стоек
Таблица 2.25
Коэффициенты расчетной длины (р) и гибкости (А.) верхнего пояса и устойчи¬
вости системы (А) при различных отношениях /|//2
hlh
Форма потери устойчивости
верхнего пояса
Pi
Р2
Р2
Х2
К
0,8
0,505
0,804
0,733
37
74
75
1.0
0,509
0,815
0,720
44
70
87
1,25
0,520
0,820
0,7
52
65
107
1.4
0,546
0,843
0,726
58
64
110
1.6
0,530
0,905
0,771
60
65
93
90

Я1	Яг
« « *	♦—»—I I 1 1 Л \ 1 1
к
к

к
L
Расчетная схема
Рис. 2.28. Влияние отношения пролетов среднего и крайнего участков верхнего
пояса на:
а — коэффициент запаса по устойчивости; б — гибкость; в — коэффициент использования
материала;
• средний участок 1\ (-в--в- -в	расчет на прочность, ■ ■ ■	расчет на устойчивость);
• крайний участок /2 (-А -А- А	расчет на прочность, А А А	расчет на устойчивость);
• полный пролет L (-*—*—*	расчет на устойчивость)
91

На рис. 2.29 показаны сечения с максимальными величинами напряже¬
ний в верхнем поясе (по устойчивости) и соответствующие продольные
усилия и изгибающие моменты, усилия растяжения в нижнем поясе и сжа¬
тия в стойках, горизонтальные и вертикальные перемещения.
Я\	Ь
* ♦ * N * * * < \ < t гт )
Рис. 2.29. Максимальные напряжения (о, МПа), продольные усилия (.N, кН),
изгибающие моменты (М, кН-м), горизонтальные (и, мм) и вертикальные (w, мм)
перемещения при различных отношениях среднего и крайнего участков верхнего
пояса (/1//2)
92

Анализ численных исследований работы комбинированной арочно¬
вантовой системы с различными отношениями пролетов среднего (/О и
крайнего (/2) участков верхнего пояса (/1//2 = 0,8-*-1,6) показал:
-	изменение привязки стоек оказывает незначительное влияние на про¬
дольные усилия в поясах (до 6 %) и V-образных стойках (до 12 %);
-увеличение пролета среднего участка (уменьшение крайнего) сущест¬
венно влияет на изгибающие моменты в верхнем поясе. В среднем уча¬
стке (узел примыкания стойки к верхнему поясу) максимальные момен¬
ты увеличиваются на 45 %, в крайнем участке (в сечении, расположен¬
ном на расстоянии * 0,43 /2 от шарнирно-подвижного опорного узла) —
уменьшаются на 30 %. При этом динамика роста изгибающего момента
в средней части оказалась в 2,5 раза выше уменьшения момента в край¬
нем пролете;
-при отношении /1 //2 =1,0 максимальные напряжения в сечениях сред¬
него и крайних участков верхнего пояса имеют равные значения (гиб¬
кость среднего участка X = 45, крайних — Х = 70);
-коэффициенты расчетной длины верхнего пояса изменяются не более
чем на 10 % и их осредненные величины составили для среднего участ¬
ка — pi = 0,522, крайних участков — р2 = 0,837;
-	коэффициент устойчивости системы (£) при отношении 1\Н2 = 1,4 имеет
максимальное значение — £=110 при примерно равных гибкостях
среднего и крайнего участков верхнего пояса арки X = 60, но при значи¬
тельной (до 35 %) разнице расчетных напряжений по устойчивости;
-увеличение отношения /1//2 отражается на деформативности системы
следующим образом: горизонтальные перемещения шарнирно-подвиж¬
ного опорного узла уменьшаются на 19%, максимальные вертикальные
перемещения верхнего пояса увеличиваются на 34 %.
Численные исследования при изменении геометрических и жесткостных
параметров элементов системы в интервале реальных величин показали
качественно аналогичные результаты.
§ 2.4. Изготовление и монтаж конструкций.
Научно-техническое сопровождение
2.4.1. Изготовление несущих металлоконструкций [2.4]
Конструкции мансарды из стали С245 и С345 общей массой 2847 т были
изготовлены на Белгородском заводе металлоконструкций с 1995 по 1997 г.
Общая масса металлоконструкций галереи составила 418 т, профилирован¬
ного настила — 25,6 т. Металлоконструкции галереи, надстроенной над
2-этажной частью Гостиного Двора, изготовлены на Челябинском заводе
металлоконструкций (ЗМК).
Металлические конструкции большепролетного покрытия общей мас¬
сой 1326 т были изготовлены под руководством ОАО «Сталькон» на Челя¬
93

бинском ЗМК за 2 месяца (ноябрь и декабрь 1997 г.) из проката Орско-
Халиловского металлургического комбината. При изготовлении были
обеспечены повышенные требования к используемым материалам, техно¬
логии изготовления, контролю качества, которые специально разрабатыва¬
лись в ЦНИИСК им. Кучеренко. Для обеспечения требуемой точности из¬
готовления конструкций на Челябинском ЗМК была разработана специаль¬
ная технология. Металлоконструкции проходили общую сборку в жестких
кондукторах. Точность изготовления при длине ферм до 80 м составила
5^-7 мм. Были обеспечены 100 % собираемость металлоконструкций и зна¬
чительное снижение трудозатрат на монтаже.
Особое внимание было уделено обеспечению качества сварных соеди¬
нений. Применялись следующие виды сварки: автоматическая дуговая под
слоем флюса, механизированная дуговая в среде защитных газов и ручная
дуговая. Все сварные швы в объеме 100 % проверяли внешним осмотром.
Выбор методов и объемов неразрушающего контроля качества сварных
соединений зависел от категории сварных швов.
2.4.2. Монтаж несущих металлоконструкций [2.40]
Монтаж стальных конструкций покрытия выполнен ОАО «Сталькон-
струкция» в соответствии с ППР, разработанным Днепропетровским фи¬
лиалом ЗАО НПФ «Укрспецмонтажпроект», в следующей последователь¬
ности:
-	сборка отправочных элементов на стендах, укрупнительная сборка ферм
на стапелях (рис. 2.30, 2.31);
-	установка между поясами ферм в узлах V-образных распорок домкратов
и регулируемых по длине временных подвесок нижнего пояса фермы,
V-образные распорки оставались незамкнутыми (рис. 2.32);
-после раскружаливания конструкции на стапелях (ферма опиралась
только по концам) производились ее предварительное напряжение с по¬
мощью домкратов (рис. 2.33), заварка V-образных распорок и демонтаж
домкратов;
-подъем и установка конструкции в проектное положение с помощью
траверсы (инвентарной фермы жесткости), которая крепилась к верхне¬
му арочному поясу. Подъем осуществляли двумя кранами за 4 точки;
-	после установки ферм в проектное положение ее верхний пояс раскреп¬
ляли прогонами сначала к торцевому опорному элементу, а затем между
собой (рис. 2.34), устанавливали временные связи между фермами, де¬
монтировали временные подвески нижнего пояса. После монтажа 8-й
фермы устанавливали прогоны и постоянные связи между 7-й и 8-й
фермами, демонтировали временные связи.
Необходимо отметить, что работы проводили в стесненных условиях
внутреннего пространства Гостиного Двора с ограниченным по габаритам
въездом в зону монтажа при одновременной работе большого числа строи¬
тельных организаций.
94

Рис. 2.30. Монтаж прямолинейного Рис. 2.31. Узел сопряжения нижнего
элемента верхнего пояса	пояса и V-образной стойки
Рис. 2.33. Предварительное напря¬
жение арочно-вантовой фермы с
использованием домкрата
Рис. 2.34. Монтаж прогонов (шаг 5 м)
2.4.3.	Монтажная сварка [2.20]
На монтаже был выполнен большой объем сварочных работ: стыковая
сварка при укрупнении полос сечением 275x40 мм, сварка нахлесточных
Рис. 2.32. Объединение частей
V-образной стойки
95

соединений укрупненных полос в секции нижнего пояса ферм; сварка уз¬
лов крепления V-образных стоек к поясам ферм и их стыков на трубчатых
подкладках, сварка узлов крепления прогонов и связей покрытия. Для
обеспечения прочности, эксплуатационной надежности и долговечности
сварных узлов уникальных конструкций из стали С390 (10ХСНД) потребо¬
валось комплексное решение задач с учетом производства работ в зимнее
время. Разработка технологии и контроль качества сварочных работ на
монтаже выполнены ОАО НИПИ Промстальконструкция.
Так как в нормативных материалах отсутствуют рекомендации по свар¬
ным соединениям конструкций уникальных объектов, были разработаны
специальные положения по выбору сварочных материалов, расчету темпе¬
ратуры подогрева и времени охлаждения свариваемого металла, рацио¬
нальных значений погонной энергии, сварочного тока, напряжения дуги,
скорости сварки и т. п. При разработке технологии монтажной сварки кон¬
струкций ставилась задача обеспечения не только механических свойств
сварных соединений, но и предотвращения образования в зоне термическо¬
го влияния и в металле шва холодных и ламелярных трещин. Кроме того,
необходимо было исключить образование структур, резко снижающих
ударную вязкость металла при отрицательных температурах и сопротив¬
ляемость сварных соединений хрупкому разрушению. Снижение уровня
напряжений в металле сварных соединений достигалось за счет рациональ¬
ных конструктивных решений, обеспечивающих уменьшение жесткости
узлов, особенно тех, которые воспринимают растягивающие напряжения, а
также уменьшения объема наплавленного металла.
Проект производства сварочных работ (ППСР) содержал требования к
Применяемым материалам, сварочному оборудованию, указания по сборке
конструкций, технологии сварки, контролю качества сварочных работ, тех¬
нологии исправления дефектов в сварных соединениях. Указания включали
графическое изображение узлов и сварных соединений; типы кромок, гео¬
метрические размеры и пространственное положение швов; последова¬
тельность сборки элементов и выполнения сварных швов; требования к
подогреву металла сварных соединений; таблицы рациональных парамет¬
ров режима сварки; технику сварки, включая способы выполнения швов и
направление сварки; таблицы сварных узлов и соединений (тип соедине¬
ния, обозначение, толщина металла, катет шва, площадь сечения и длина
шва, удельная масса наплавленного металла, расход сварочных электро¬
дов). Учитывая зимние условия выполнения сварочных работ, применяли
ручную дуговую сварку покрытыми электродами по разработанной техно¬
логии с регулируемым тепловложением.
При разработке раздела ППСР «Контроль качества сварочных работ»
возникла проблема, связанная с критериями оценки качества сварных со¬
единений по уровню дефектности. Требования СНиП 3.03.01-87 [2.21] до¬
пускают наличие в сварных соединениях непроваров в корне шва, протя¬
женных линейных шлаковых включений, глубоких подрезов основного
металла и западаний между валиками на всю длину сварного шва и не рег¬
96

ламентируют суммарный размер (глубину) всех дефектов по поперечному
сечению шва. Эти дефекты недопустимы для сварных соединений уни¬
кальных сооружений, так как имеют концентраторы напряжений, снижаю¬
щие сопротивление усталости металла сварных соединений, особенно в
зонах высоких остаточных и эксплуатационных напряжений. Опасность
дефектов усугубляется повышенной чувствительностью высокопрочных
сталей к концентрации напряжений. Были разработаны требования к каче¬
ству сварных соединений по уровню дефектности, учитывающие реальные
условия нагружения, характер и вид напряженного состояния соединений,
обеспечивающие надежное сопротивление хрупкому разрушению и уста¬
лости металла сварных соединений. Определены методы и объемы контро¬
ля качества сварных соединений.
В процессе выполнения монтажных сварочных работ в зимних условиях
не было обнаружено ни одной трещины в металле сварных соединений.
Результаты визуального и неразрушающего контроля (ультразвуковая де¬
фектоскопия и радиографическое просвечивание) и механические испыта¬
ния показали, что сварные соединения удовлетворяют самым высоким тре¬
бованиям отечественных и международных норм и стандартов.
2.4.4.	Научно-техническое сопровождение изготовления и монтажа
конструкций
Ввиду ответственности сооружения (уровень ответственности 1 по ГОСТ
27751 [1.6]) был выполнен комплекс работ по научно-техническому сопро¬
вождению изготовления и монтажа металлоконструкций для повышения ка¬
чества сооружения, обеспечения его высокой долговременной надежности.
На стадии изготовления и монтажа ферм проведены следующие
работы: контроль соответствия проекту, нормативным документам и «Тех¬
ническим условиям» качества и марок материалов по сертификатам и пас¬
портам заводов-поставщиков; контроль подготовки конструкций к монта¬
жу, их укрупнительная сборка; контроль предварительного напряжения
ферм, выполненного с использованием домкратов (геометрическая форма
конструкции на стапелях до и после предварительного напряжения по дан¬
ным геодезической съемки); контроль соответствия каждой из ферм проек¬
ту с оценкой соответствия предельных отклонений фактического положе¬
ния конструкций.
В первую очередь был осуществлен визуальный контроль, подтвердив¬
ший отсутствие изменений формы и остаточного деформирования, отпра¬
вочных марок металлоконструкций. Отмечено, что работы по монтажу кон¬
струкций произведены по утвержденному проекту производства работ (1111?)
в части последовательности установки конструкций; мероприятий, обеспе¬
чивающих точность установки; пространственную неизменяемость и устой¬
чивость конструкций в процессе их укрупнительной сборки и установки в
проектное положение; безопасные условия труда. Подготовка конструкций к
монтажу, их укрупнительная сборка, установка, выверка и закрепление были
выполнены в соответствии с требованиями 1111? и СНиП 3.03.01-87 [2.21].
7 Заказ 1067
97

Проведен анализ фактических отклонений контрольных точек от задан¬
ных допусков. Схема расположения контролируемых геометрических па¬
раметров арочно-вантовых ферм приведена на рис. 2.35, где Н — высота
фермы (максимальное расстояние между поясами); h\ и И2 — соответствен¬
но высота подъема верхнего и стрела провиса нижнего пояса; h3 — высота
фермы в местах расположения V-образных стоек; / — длина фермы. Для
размеров й2 и й3 в числителе указаны величины со стороны Хрустального
переулка, а в знаменателе — со стороны Рыбного. В табл. 2.26 приведены
данные сопоставления проектной и фактической геометрии ферм Ф1-^-Ф15
после их укрупнительной сборки до преднапряжения. Проектные отметки
принимались по рабочим чертежам, а фактические — по данным геодези¬
ческих съемок. Анализ показал, что в большинстве случаев (более чем в
90 %) отклонения от проектного положения не превышали допускаемых
величин (±10 мм). Максимальные отклонения верхнего пояса составили
+ 14, -16 мм. Максимальные отклонения оси нижнего пояса (+50 мм) были
отмечены по середине первых ферм и определялись недостаточной под¬
тяжкой временных подвесок.
Рис. 2.35. Схема расположения точек замера отметок верхнего и нижнего поясов
ферм
Таблица 2.26
Сопоставление проектной и фактической геометрии (мм) ферм
до преднапряжения
А,
h
А3
Я
L
1
2
3
4
5
6
1
проект
2127
1850
3402
3977
59 012
Ф1
факт
2119
1898/1901
3449/3452
4020
59 006
А, мм
-8
+48/+51
+47/+50
+43
-6
проект
2250
1800
3475
4050
60 684
Ф2
факт
2253
1809/1809
3498/3490
4062
60 679
А, мм
+3
+9/+9
+23/+15
+ 12
-5
проект
2376
1750
3551
4126
62 354
ФЗ
факт
2375
1750/1745
3557/3554
4127
62 346
А, мм
-1
0/-5
+6/+3
+ 1
-8
проект
2506
1700
3631
4206
64 026
Ф4
факт
2501
1697/1697
3636/3634
4198
64 022
А, мм
-5
-3/-3
+5/+3
-8
-4
98

Окончание табл. 2.26
1
2
3
4
5
6
7
проект
2640
1650
3714
4290
65 698
Ф5
факт
2644
1651/1650
3712/3716
4299
65 712
А, мм
+4
+ 1/0
-21+2
+9
+ 14
проект
2776
1600
3802
4376
67 370
Ф6
факт
2766
1603/1597
3804/3800
4373
67 372
А, мм
-0
+3/-3
+21-2
-3
+2
проект
2917
1550
3892
4467
69 040
Ф7
факт
2911
1545/1545
3890/3888
4459
69 055
А, мм
-6
—5/—5
—2/—4
-8
+ 15
проект
3061
1500
3986
4561
70 712
Ф8
факт
3058
1499/1496
3991/3987
4563
70 729
А, мм
-3
-1/-4
+5/+1
+2
+ 17
проект
3209
1450
4084
4659
72 384
Ф9
факт
3197
1447/1454
4089/4090
4653
72 403
А, мм
-12
-3/+4
+5/+6
-6
+ 19
проект
3360
1400
4185
4760
74 056
Ф10
факт
3359
1402/1397
4189/4188
4759
74 070
А, мм
-1
+2/-3
+4/+3
-1
+ 14
проект
3514
1350
4290
4864
75 728
Ф11
факт
3509
1346/1347
4285/4288
4859
75 726
А, мм
-5
-4/-3
—5/—2
-6
-2
проект
3673
1300
4397
4973
77 398
Ф12
факт
3665
1301/1302
4403/4402
4967
77 413
А, мм
-8
+ 1/+2
+6/+5
-6
+ 15
проект
3835
1250
4510
5085
79 070
Ф13
факт
3825
1252/1248
4514/4512
5084
79 075
А, мм
-10
+2/—2
+4/+2
-1
+5
проект
4000
1300
4725
5300
80 742
Ф14
факт
3980
1300/1298
4726/4725
5278
80 746
А, мм
-20
0/-2
+ 1/0
-22
+4
проект
4000
1300
4725
5300
82 392
Ф15
факт
3996
1296/1298
4723/4724
5296
82 399
А, мм
-4
—4/—2
-2/-1
-4
+7
Контроль предварительного напряжения конструкций выполнялся путем
анализа результатов геодезической съемки геометрической формы конструк¬
ции до и после предварительного напряжения (табл. 2.27, 2.28). Отклонения
фактических размеров от проектных на этом этапе были больше, чем на пре¬
дыдущем. Максимальные отклонения составили: по верхнему поясу +28,
-37 мм, по нижнему поясу -36, +19 мм. На ферме Ф1 отклонения по нижне¬
му поясу достигли -65 мм. Расчетный анализ показал, что эти отклонения
практически не отражаются на несущей способности ферм.
7*
99

Таблица 2.27
Сопоставление проектной и фактической геометрии (мм) ферм
после преднапряжения
//1
И2
Н
L
проект
2250
2010
3630
4260
58 990
Ф1
факт
2213
1993/2013
3631/3633
4375
58 989
А, мм
-37
-17/+3
+ 1/+3
+ 115
-1
проект
2390
1990
3760
4380
60 650
Ф2
факт
2397
2016/2018
3763/3766
4544
60 640
А, мм
+7
+26/+28
+3/+6
+ 164
-10
проект
2530
1980
3880
4510
62 320
ФЗ
факт
2526
1948/1963
3882/3881
4482
62 308
А, мм
-4
-32/-17
+2/+1
-28
-12
проект
2680
1970
4010
4650
63 980
Ф4
факт
2688
1966/1979
4019/4014
4788
63 983
А, мм
+8
—4/+9
+9/+4
+ 138
+3
проект
2820
1960
4140
4780
65 660
Ф5
факт
2829
1925/1935
4144/4134
4910
65 662
А, мм
+9
-35/-25
+4/-6
+ 130
+2
проект
2960
1950
4280
4910
67 330
Ф6
факт
2957
1932/1926
4283/4278
67 327
А, мм
-3
-18/-24
+3/-2
-3
проект
3120
1950
4420
5070
68 990
Ф7
факт
3110
1928/1927
4421/4421
5063
68 991
А, мм
-10
-22/-23
+ 1/+1
-7
+ 1
проект
3270
1930
4560
5200
70 660
Ф8
факт
3260
1903/1903
4561/4561
5193
70 667
А, мм
-10
-211-21
+ 1/+1
-7
+7
проект
3420
1930
4720
5350
72 330
Ф9
факт
3414
1920/1923
4723/4725
5339
72 337
А, мм
-6
-10/-7
+3/+5
-11
+7
проект
3570
1920
4860
5490
74 000
Ф10
факт
3562
1910/1912
4861/4863
5478
73 998
А, мм
-8
-10/-8
+ 1/+3
-12
-2
проект
3730
1910
5010
5640
75 670
Ф11
факт
3743
1892/1890
5010/5010
5633
75 664
А, мм
+ 13
-18/-20
0/0
-7
-6
проект
3890
1910
5170
5800
77 340
Ф12
факт
3872
1904/1906
5174/5177
5777
77 344
А, мм
-18
—6/—4
+4/+7
-23
+4
проект
4050
1910
5330
5960
79 010
Ф13
факт
4032
1908/1899
5338/5336
5950
79 010
А, мм
-18
-2/-11
+8/+6
-10
0
проект
4190
1930
5500
6120
80 690
Ф14
факт
4172
1933/1931
5502/5504
6104
80 685
А, мм
-18
+3/+1
+2/+4
-16
-5
проект
4190
1940
5500
6130
82 340
Ф15
факт
4174
1917/1931
5500/5502
6098
82 334
А, мм
-16
-23/-9
0/+2
-132
-6
100

Оо
<N
<N
Q
S'
a
з
й
I
a
X
Л
X
Э
a
x
о
a
x
a>
H
<->
e
в
о
U
№ фермы
Ф15
775
777
778 1
+2
со
+
135
156
145 |
<N
+
о
7
640
621 |
633
ON
7
г-
1
Ф14
775
I 776
779
+
+
145
143
146
<N
1
+
630
633
633
+3
сп
+
Ф13
о
<N
00
824
824
+4
тг
+
160
168
173
00
+
+ 13
099
656
651
i
ON
1
Ф12
773
771
775
(N
1
+2
163
168
г-
in
+
00
+
610
603
604
Г"*
1
VO
1
Ф11
720
725
722
П
+
<ч
+
160
179
179
ON
7
ON
7
560
546
543
7
г-~
7
Ф10
675
672
675
сн
1
о
155
164
160
+9
m
+
520
508
515
(N
7
ш
1
6Ф
636
634
635
<N
1
7
156
VO
166
in
-1-
+ 10
о
00
473
469
г-
1
7
00
e
574
570
574
Tf
1
о
144
166
167
<N
СЧ
+
+23
430
404
407
-26
СП
(N
1
Ф7
528
531
533
СП*
+
in
+
128
148
in
+20
rn
(N
+
о
о
383
382
Г"
7
00
7
9Ф
478
479
478
7
о
128
150
149
+22
+21
350
329
329
(N
1
(N
1
Ф5
426
432
418
9+
00
1
VO
158
133
+42
r-
7
310
274
285
VO
СП
1
ш
(N
1
Ф4
379
383
380
+4
7
109
00
ON
in
+
7
270
269
282
7
(N
7
ФЗ
329
325
327
тГ
1
(N
1
66
127
109
+28
+ 10
230
198
218
(N
СП
1
CN
7
Ф2
285
265
276
-20
ON
1
in
ON
00
in
r-~
vo
-37
00
(N
1
190
207
209
г-
7
61 +
©
228
182
оо
-46
-47
00
vo
г-
00
ON
vo
ON
+
7
160
in
Os
<ч
in
vo
1
00
■^г
1
проект
лев.
&
лев.
&
Ё
о
о
&
лев.
&
лев.
&
проект
лев.
&
лев.
&
факт
А, мм
факт
A, мм
Ё
cd
•е«
А, мм
Суммарное
перемеще¬
ние
Перемеще¬
ние верх¬
него пояса
Перемеще¬
ние ниж¬
него пояса
101

Контроль и приемка монтажных соединений на высокопрочных
болтах. Укрупнительная сборка элементов металлоконструкций верхнего
пояса ферм производилась на высокопрочных болтах М24 из стали 40Х
«Селект» климатического исполнения ХЛ. В соответствии с требованиями
СНиП 3.03.01-87 [2.36] и «Технических условий на монтаж несущих конст¬
рукций светопрозрачного покрытия», осуществлялся технический контроль
и приемка монтажных фланцевых соединений ферм (рис. 2.36), включаю¬
щие: визуальную проверку контактных фланцевых поверхностей; контроль
соблюдения технологических требований по огневой обработке поверхно¬
стей и последующей ручной зачистки металлическими щетками; проверку
подготовки метизов в соответствии с технологическими требованиями
(расконсервация, очистка от грязи и ржавчины, входной браковочный кон¬
троль, прогонка резьбы болтов и гаек, покрытие их тонким слоем смазки);
приемочный контроль метизов на основании сертификатов завода-
изготовителя; контроль сборки фланцевых соединений (особое внимание
уделялось контролю (100%) натяжения высокопрочных болтов в узловых
соединениях фермы (на усилие не менее 230 кН) при помощи динамомет¬
рического ключа с регулярной его тарировкой); контроль герметизации
фланцевых соединений визуальным осмотром сопрягаемых элементов.
Рис. 2.36. Установка и натяжение высокопрочных
болтов фланцевого соединения верхнего пояса
Проведение испытаний высокопрочных болтов. Приемочный кон¬
троль высокопрочных болтов М24 осуществлялся на основании сертифика¬
тов завода-изготовителя. Учитывая уникальность объекта, дополнительно
проведены контрольные выборочные испытания по 3-^6 шт. для каждой
партии болтов на растяжение, для определения их фактической несущей
способности. Испытания проводились в ЦНИИСК им. Кучеренко.
Для определения прочности на растяжение болты помещались в специ¬
альное приспособление реверсного типа, позволяющее проводить испыта¬
ния на прессе П-500 (Амслер), при перемещении активного захвата на¬
102

встречу неподвижной траверсе (столу). При этом на болт навертывалась
гайка таким образом, чтобы длина свободной части резьбы, находящейся
под нагрузкой, была равна 6 виткам резьбы, т. е. 20+25 мм. Испытания бол¬
тов проводились с обязательной записью машинной диаграммы их дефор¬
мирования. Указанным испытаниям предшествовали контрольные механи¬
ческие испытания материала болтов — по 3 цилиндрических образца в со¬
ответствии с ГОСТ 1759.4-87. Обобщенные результаты механических
испытаний сведены в табл. 2.29 и 2.30.
Таблица 2.29
Результаты испытаний высокопрочных болтов М24 на растяжение
Номера
партий
болтов
Разрушаю¬
щие нагрузки,
средние знач.
Дпах > тс
Средние
значения
стт, Н/мм2
Средние
значения
ав, Н/мм2
®т/®в
Площадь
сечения
болта
-4вп> см
1. VI10 ХЛ 0.21
46,87
1229
1331,4
0,92
3,52
2. Д 110ХЛ 8.1
42,3
1084
1201,6
0,90
3,52
3.V 110ХЛ0.31
47,1
1203
1338,1
0,90
3,52
4.V 110ХЛ77
46,1
1196
1308,0
0,91
3,52
Таблица 2.30
Результаты испытаний стандартных образцов материала
высокопрочных болтов М24
Номера
партий
болтов
Разрушаю¬
щие нагрузки,
средние знач.
^шах> тс
Средние
значения
стт, Н/мм2
Средние
значения
ав, Н/мм2
^т/«в
Площадь
сечения
образца
F, см2
1. VI10 ХЛ 0.21
13,46
1012
1197
0,84
1,115
2. Д 110ХЛ 8.1
12,99
960
116,2
0,83
1,117
3.V ПО ХЛ 0.31
13,54
975
1203
0,81
1,125
Контроль и приемка монтажных сварных соединений. Для выпол¬
нения работ по обеспечению качества сварных монтажных соединений бы¬
ла разработана система организационных и технических мероприятий,
включающих следующие положения.
1.	Проверка квалификационных требований к техническому руководству
и профессиональному исполнению сварочных работ с выполнением и испы¬
таниями контрольных образцов стыковых соединений нижнего пояса фермы.
2.	Экспертиза проекта производства сварочных работ (ППСР). ЦНИИСК
им. Кучеренко ввел дополнительное требование ультразвукового контроля
103

несущих угловых швов в нижних поясах ферм в объеме 10 % их протяжен¬
ности.
3.	Проведение операционного инспекционного контроля соблюдения
технологических требований (подготовка и использование сварочных элек¬
тродов, организация рабочих мест сварщиков, подготовка свариваемых
кромок и качество сборки элементов под сварку, последовательность нало¬
жения швов).
4.	Проведение приемочного контроля сварных соединений визуальным
осмотром и ультразвуковой дефектоскопией. Контроль выполнялся незави¬
симыми организациями. Основное внимание уделялось швам растянутых
нижних поясов.
Применение сталей повышенной и высокой прочности [2.21]. В со¬
ответствии с проектом (с учетом повышенных требований к надежности
металлоконструкций и уникальности объекта) применена толстолистовая
сталь высокой прочности. К прокату толщиной 28-^40 мм были предъявле¬
ны более жесткие требования, чем к наиболее ответственным конструкци¬
ям группы 1, регламентированные СНиП 11-23-81*, в части ограничений
по химическому составу, снижения содержания вредных примесей, предот¬
вращения слоистого разрушения, ударной вязкости.
За основу приняли термически улучшенную, атмосферостойкую сталь
10ХСНД со следующими основными требованиями: ах = 390 Н/мм2, ств <
< 680 Н/мм2. К прокату были предъявлены жесткие требования по ударной
вязкости (для обеспечения высокого сопротивления металла хрупкому раз¬
рушению), по ограничению временного сопротивления (для улучшения
однородности свойств проката и обрабатываемости металла). Для предот¬
вращения холодных трещин в зоне термического влияния сварки введены
ограничения по суммарному содержанию легирующих элементов, приво¬
димому к эквивалентному действию углерода, на содержания водорода в
металле, а также на твердость металла. Предусмотрены мероприятия по
устранению из твердого раствора азота, существенно охрупчивающего ме¬
талл, для чего введены сильные нитридообразующие элементы в количест¬
ве, достаточном для полного связывания азота. Сталь поставлялась с гаран¬
тированными Z-свойствами, для чего в ней уменьшили содержание вред¬
ных примесей — серы и фосфора. Следует отметить, что поставка листов
осуществлялась с улучшенной геометрией, особо высокой плоскостностью
и уменьшенной серповидностью, что улучшает условия сварки.
Прокат был изготовлен на металлургическом комбинате АО НОСТА,
выплавка производилась в 100-тонных электропечах, всего было прокатано
около 100 партий. С целью определения фактического качества проката
применяли контроль по специальной многоступенчатой схеме. Испытания
проводили на металлургическом комбинате, Челябинском ЗМК, а также в
аккредитованных лабораториях ЦНИИСК им. Кучеренко. Выполнены ис¬
следования микроструктуры, прочности, пластичности и вязкости металла.
Проведена оценка равномерности свойств проката на плоских длинных
образцах 12x400 мм толщиной 40 мм. Испытания на ударную вязкость бы¬
104

ли выполнены на образцах с U- и V-образным надрезами в интервале тем¬
ператур от нормальной до минус 70 °С. При температурах -20, -40 и
-70 °С на внецентренное растяжение испытаны плоские прямоугольные
образцы с предварительно нанесенной усталостной краевой трещиной для
определения статической трещиностойкости.
Изготовление и монтаж несущих конструкций покрытия Старого Гости¬
ного Двора выполнены в соответствии с «Техническими условиями», раз¬
работанными в ЦНИИСК им. Кучеренко, с учетом требований норматив¬
ных и технических документов [2.25, 2.26, 2.27, 2.32, 2.33, 2.35, 2.36, 2.37].
§ 2.5. Экспериментальное исследование крупномасштабной
модели фрагмента покрытия
В ЦНИИСК им. Кучеренко выполнены проектирование, монтаж и ис¬
пытание крупномасштабной модели фрагмента несущих конструкций по¬
крытия атриума Гостиного Двора. В работе принимали участие сотрудники
лаборатории металлических конструкций (разработка конструкции модели
и методики испытаний, участие в проведении испытаний модели, анализ
экспериментальных данных, выводы и рекомендации) [2.14], эксперимен¬
тально-конструкторского бюро (проектирование модели), лаборатории ис¬
пытаний конструкций (подготовка и участие в проведении испытаний мо¬
дели). Изготовление модели выполнено ООО «Композит-Тест».
Цель работы — оценка несущей способности и надежности конструк¬
ции покрытия на основе экспериментального определения ее напряженно-
деформированного состояния.
Задачи исследований:
-	экспериментальное выявление напряженно-деформированного состояния
системы при различных нагрузках, в том числе на стадии преднапряжения;
-	сопоставление и анализ результатов численных расчетов и эксперимен¬
тальных данных;
-выявление предельного состояния конструкции и экспериментальная
оценка запаса ее несущей способности.
2.5.1. Конструкция модели покрытия
Масштаб модели определялся следующими условиями: удовлетворение
требованиям проведения экспериментальных испытаний [2.1, 2.10]; разме¬
щение модели в закрытом помещении, обеспечивающем условия для каче¬
ственного проведения работ; изготовление конструкции модели на сущест¬
вующем оборудовании (технологичность изготовления и надежность кон¬
струкции модели). Моделировалась ферма Ф8 (расположена по середине
покрытия) в масштабе М 1:10.
Модель покрытия состояла из двух арочно-вантовых ферм, объединен¬
ных по верхним поясам прогонами и связями в пространственный блок
(рис. 2.37, 2.38). Модель включала все основные несущие элементы натурной
конструкции. Параметры модели (габаритные размеры, сечения элементов
и т. п.) определялись на основе теории подобия и размерностей [2.13, 2.30].
105

Q,
<D
s
Л 3
<D Q,
5 )S
3	i
a, i
>x fc
8 «
S о
§s
CQ w
cd oc
со s
^ g
1 s
* я
« cd
a. x
x ч
cd <u
X a,
4	C
8. s
о
О
с
S13I
106
Рис. 2.37. Конструктивная схема модели

Рис. 2.38. Модель покрытия и система нагружающих устройств
Материал элементов модели, форма их сечений и соотношения габаритных
размеров соответствовали натуре (табл. 2.31 и 2.32). Элементы V-образных
стоек имели вставку в виде муфты, позволяющей изменять их длину и та¬
ким образом создавать предварительное напряжение модели. Были смоде¬
лированы все узловые сопряжения, в том числе узлы опирания ферм —
шарнирно-неподвижный и шарнирно-подвижный (рис. 2.39). Соединения
107

элементов (за исключением шарниров) выполнялись на сварке. Общая ус¬
тойчивость модели блока покрытия обеспечивалась прогонами и горизон¬
тальными связями в плоскости верхнего пояса ферм, а также вертикальны¬
ми связями в плоскости торцов ферм. Дополнительные связи, объединяю¬
щие прогоны с нижней полкой двутаврового пояса фермы, увеличивали его
жесткость на кручение. Две модели поставлялись целиком в виде блоков из
двух ферм.
Таблица 2.31
Геометрические характеристики модели
№ п/п
Проект
Модель
Пролет L, мм
70713
7071
Стрела подъема верхнего
пояса /ь мм
3061
306
Стрела провиса нижнего
пояса/2, мм
2100
210
Шаг арок, мм
12150
1215
Таблица 2.32
Г еометрические характеристики сечений элементов модели
Элемент
модели
Параметр
Величина
А, %
теоретическая
фактическая
Верхний
пояс
Сечение
мм
50x4
70Т*рР
l-fc^62x2,8
50x4
70t*TS
i_b\62x4
А, см2
5,74
6,48
12
1х, см4
49,17
51,56
5
1у, см4
8,35
8,37
0,2
Нижний
пояс
Сечение
2 полосы
дс-Ц-дс 27,5x4
2 полосы
*-||-дг 28x4
А, см2
2,2
2,24
1,8
1х, см4
1,39
1,46
5
/у, см4
0,43
0,39
-9
V-образные
стойки
Сечение
Тр. 0 21,9x1,6
Тр. 0 22x1,6
А, см2
1,02
1,025
0,5
/, см4
0,529
0,537
1,5
Примечание: А — погрешность в %.
108

Рис. 2.39. Узлы опирания модели арочно-вантовой системы:
а — шарнирно-неподвижный; б — шарнирно-подвижный
2.5.2. Методика проведения эксперимента
После установки модели на постамент были проведены замеры геомет¬
рии узлов поясов ферм и сечений основных элементов. Определены физи¬
ко-механические характеристики металла модели на трех образцах. Испы¬
тания проведены в два этапа (соответственно первая и вторая модели) на
статические нагрузки как в упругой, так и в пластической стадии работы
вплоть до разрушения [2.18, 2.23]. На первом этапе экспериментально оп¬
ределялись прогибы и перемещения модели после ее предварительного
напряжения при постоянной нагрузке и различных схемах распределения
временной (снеговой) нагрузки, предварительно оценивалась несущая спо¬
собность конструкции при нагрузке, превышающей на 20 % суммарную
расчетную. По результатам этих испытаний была выполнена корректировка
отдельных узлов конструкции модели. На втором этапе (вторая модель)
проводились полные экспериментальные исследования с замерами проги¬
бов, перемещений и напряжений в элементах модели, определялась пре¬
дельная нагрузка для конструкции.
109

Относительные деформации замерялись проволочными тензодатчиками
сопротивления с базой 10 мм. Общее количество активных датчиков 96
шт., три контрольных датчика были необходимы для оценки работы тензо¬
метрической схемы и аппаратуры. Схема расположения датчиков приведе¬
на на рис. 2.40. Датчики устанавливались на каждой из двух ферм в семи
сечениях верхнего пояса, в трех сечениях нижнего пояса и в двух сечениях
V-образных стоек. Во всех сечениях устанавливалось по 4 тензодатчика
для определения нормального усилия N и изгибающих моментов в двух
плоскостях. Измерение прогибов проводилось в основных узлах элементов
верхнего и нижнего пояса системы (рис. 2.41). В подвижном опорном узле
замерялись горизонтальные перемещения вдоль ферм (рис. 2.42). Исполь¬
зовано 18 (2x9) шт. электромеханических прогибомеров сельсивного типа.
Регистрация информации с тензодатчиков сопротивления (рис. 2.43) про¬
водилась измерительной тензометрической системой ТК-1 на 100 точек
измерения. Для работы с электропрогибомерами использовался блок циф¬
ровой индексации — фазометр [2.39].
I	II	I II	I
III	IV
Рис. 2.40. Схема размещения тензодатчиков
110

Рис. 2.42. Электропрогибомеры для определения горизонтальных
перемещений опорных узлов модели
Рис. 2.43. Размещение тензодатчиков на элементах модели
Модель в упругой стадии испытывалась на шесть схем нагружения: по¬
стоянная (собственный вес несущих и ограждающих конструкций) и снего¬
вые (равномерная и односторонние) нагрузки. Вертикальная нагрузка при¬
кладывалась к узлам верхнего пояса системы через элементы прогонов.
Нагрузка создавалась тарированными грузами массой 4, 6, 8 и 13 кг с ис¬
пользованием рычажных устройств при соотношении плеч 1:5,8 (рис. 2.44).
Это позволило существенно уменьшить массу грузов. Схемы и величины
нагрузок приведены в табл. 2.33.
111

112
Рис. 2.44. Нагружающее устройство

Таблица 2.33
Нагрузки на модель
№
п/п
Вид
нагрузки
Схемы приложения нагрузок
Величины
погонных
нагрузок,
кН/пм
Количество
этапов
нагружения
1
Постоянная
Я
q = 2,746
3
114 11114 1111111
2
Снеговая
вариант 1
Я
q = 2,333
3
ПГТТТТТТТТТТТТ1
3
Снеговая
вариант 2
9, q2
1 1 N 1 t t 1 1 1 1 1 1 1 1
q\ = 2,100
q2 = 2,560
1
4
Снеговая
вариант 3
<h ъ
[>*	x x
qi = 0,466
94 = 7,540
1
5
Снеговая
вариант 4
q2
Pk q'
qi = 0,466
92 = 7,540
1
6
Снеговая
вариант 5
q2 b
ГТ^т-г-г-г-гтЧ-гТТТТ!
qi = 0,466
q2 = 2,333
<73 = 5,844
1
7
Предельная
Я
q > 6,000
8
Равномерно распределенная нагрузка прикладывалась поэтапно, нерав¬
номерные нагрузки — за один прием (рис. 2.45). После каждого этапа вы¬
держивалась пауза около 15 мин, снимались отсчеты по приборам и затем
переходили к следующему этапу нагружения. Прямой и обратный ход за-
гружений, расположение приборов и датчиков с учетом симметрии конст¬
рукции и нагрузок позволили определять средние значения измеряемых
величин с учетом их статистической обработки для повышения достовер¬
ности полученных результатов [2.17]. Перед основными испытаниями про¬
водилось предварительное загружение модели нормативной равномерно
распределенной нагрузкой для выборки люфтов, обжатия узлов, проверки
работы измерительных приборов и оборудования.
На первом этапе фермы испытывались на равномерную нагрузку до
разрушения. После достижения расчетной величины нагружение модели
осуществлялось малыми порциями с выдерживанием интервала между ни¬
ми около 3(Н45 мин.
Наступление предельного состояния предполагалось фиксировать раз¬
личными способами в отдельности или в совокупности: визуально, показани-
8 Заказ 1067
113

Рис. 2.45. Загружение модели тарированными грузами
114
ВИВ

ями тензодатчиков (текучесть), непропорционально большим приращением
перемещений любой из замеряемых точек по сравнению с предыдущими
этапами нагружения и т. п. При наступлении предельного состояния, кроме
анализа его причин (развитие пластических деформаций, местная потеря
устойчивости, общая потеря устойчивости и т. п.), выполнялось сопостав¬
ление предельной нагрузки с расчетной для определения верхней границы
коэффициента запаса конструкции. Для определения нижней границы вы¬
полнялся анализ результатов расчета на предельную нагрузку с учетом
фактических физико-механических характеристик материала, из которого
была выполнена модель.
Для определения величин ожидаемых перемещений и усилий в про¬
цессе испытания модели выполнены компьютерные расчеты с учетом
фактических габаритных размеров и сечений элементов. Нагрузки соот¬
ветствовали всем этапам и схемам загружений модели с учетом ее пред¬
варительного напряжения. Сопоставление численных и эксперименталь¬
ных данных позволило дать оценку правильности выводов теоретиче¬
ских исследований и рекомендаций по расчету комбинированной ароч¬
ной системы.
2.5.3.	Результаты экспериментальных исследований
Первый этап испытаний. В результате испытаний первой модели оп¬
ределены прогибы и перемещения элементов, выявлено поведение элемен¬
тов конструкции на всех стадиях нагружения (включая превышение на
20 % расчетной), выполнено сопоставление экспериментальных и теорети¬
ческих данных, определена разрушающая нагрузка, выявлен характер раз¬
рушения модели.
Предварительное напряжение модели выполнялось за счет изменения
длины V-образных стоек. Величина раздвижки поясов модели по верти¬
кали в местах расположения стоек — 55,2 мм (начальное расстояние h\ =
= 395,7 мм, конечное расстояние h2 = 450,9 мм). Проектные удлинения
стоек: А 1\= 49,5 мм, А /2 = 54,2 мм. Расхождения начальной геометрии
ферм и удлинений V-образных стоек модели после преднапряжения по
сравнению с расчетными величинами не превышали 1,5 %. Сопоставле¬
ния теоретических и экспериментальных данных по прогибам и переме¬
щениям для различных этапов нагружения (см. табл. 2.33) первой модели
приведены в табл. 2.34^-2.41. Номера сечений для этих таблиц даны на
рис. 2.46.
8*
115.

Таблица 2.34
Прогибы и перемещения от предварительного напряжения
W, мм
W, мм
номера сечений
1
2
3
4
5
6
8
9
Проект
15,1
21,4
23,5
21,4
15,1
-36,5
-36,5
-5,4
Ф1
16,5
23,1
23,9
22,1
15,5
-36,0
-36,0
-5,5
Ф2
15,5
22,1
24,9
22,1
16,5
-37,0
-37,0
-5,5
Среди.
16,0
22,6
24,4
22,1
16,0
-36,5
-36,5
-5,5
Д,%
6
6
4
3
6
0
0
2
Таблица 2.35
Прогибы и перемещения от постоянной нагрузки
Ф1
Ф2
W, мм
W, мм
W, мм
и, мм
номера сечений
3
6
9
3
6
9
Проект
-17,6
-13,4
2,2
-17,6
-13,4
2,2
Факт.
-17,7
-12,5
3,1
-17,0
-12,1
3,0
Д,%
1
-7
41
-3
-10
36
Таблица 2.36
Прогибы и перемещения от постоянной нагрузки и снеговой нагрузки-1
Ф1
Ф2
W, мм
W, мм
W, мм
г/, мм
номера сечений
3
6
9
3
6
9
Проект
-32,8
-24,7
3,9
-32,8
-24,7
3,9
Факт.
-34,7
-24,3
5,8
-33,9
-23,6
5,7
Д,%
6
-2
49
3
-5
46
116

Таблица 2.37
Прогибы и перемещения от постоянной нагрузки и снеговой нагрузки-П
ттттш
Ф1
Ф2
W, мм
и, мм
W, мм
и, мм
номера сечений
3
6
9
3
6
9
Проект
-33,4
-23,6
3,9
-33,4
-23,6
3,9
Факт.
-35,8
-23,8
6,0
-34,9
-22,9
5,9
А, %
7
1
54
4
-3
51
Таблица 2.38
Прогибы и перемещения от постоянной нагрузки и снеговой нагрузки-Ш
Ф1
Ф2
W, мм
и, мм
W, мм
и, мм
номера сечений
3
6
9
3
6
9
Проект
-21,9
-17,2
2,8
-21,9
-17,2
2,8
Факт.
-24,1
-17,6
4,8
-22,7
-16,8
4,8
А, %
10
2
71
4
-2
71
Таблица 2.39
Прогибы и перемещения от постоянной нагрузки и снеговой нагрузки-IV
шшшшт
Ф1
Ф2
W, мм
к, мм
W, мм
W, мм
номера сечений
3
6
9
3
6
9
Проект
-21,3
-18,1
2,7
-21,3
-18,1
2,7
Факт.
-23,7
-18,5
4,5
-22,8
-18,2
4,5
А, %
И
2
67
7
0,5
67
117

Таблица 2.40
Прогибы и перемещения от постоянной нагрузки и снеговой нагрузки-V
thuuHHrfTTlI
Ф1
Ф2
и>, мм
W, мм
W, мм
W, мм
номера сечений
3
6
9
3
6
9
Проект
-23,6
-25,5
3,0
-23,6
-25,5
3,0
Факт.
-24,9
-26,7
4,7
-23,3
-26,2
4,7
А, %
5
5
57
-1
3
57
Таблица 2.41
Прогибы и перемещения от предельной нагрузки, превышающей
расчетную равномерную на 20 % (<7пр = 6,3 кН/пм)
Ф1
Ф2
W, мм
W, мм
W, мм
и, мм
номера сечений
3
6
9
3
6
9
Проект
-40,9
-30,7
4,7
-40,9
-30,7
4,7
Факт.
-43,8
-30,3
7,0
-43,0
-29,6
6,9
А, %
7
-1
49
5
-4
47
Постоянная и снеговая равномерно распределенные нагрузки прикла¬
дывались поэтапно — по 3 этапа на каждое из нагружений. До предельной
нагрузки модель загружалась еще двумя этапами. На рис. 2.47 приведены
график зависимости экспериментальных прогибов и перемещений от на¬
грузки и соответствующие расчетные данные.
Все элементы модели покрытия при воздействии на них расчетных на¬
грузок находились в упругой стадии работы. Средние значения экспери¬
ментальных прогибов с учетом их статистической обработки отличались
от теоретических значений не более чем на 10%, а в 80 % случаев эта
разница не превышала ±5 %. Большие различия оказались между экспе¬
риментальными и теоретическими данными по горизонтальным переме¬
щениям подвижного опорного узла. Анализ показал, что этот фактор оп¬
ределялся несовершенством некоторых конструктивных решений узлов
модели, в частности, наличием непроектных люфтов в резьбовых соеди¬
нениях V-образных стоек.
118

3
q, кН/пм
номера сечений
Рис. 2.47. График зависимости прогибов и перемещений от нагрузки
(первый этап испытаний):
• • •	эксперимент; -д -Д- д	теория
Модель была доведена до разрушения (рис. 2.48). Предельное состояние
конструкции наступило при равномерно распределенной нагрузке, в 1,2 раза
превышающей расчетную, вследствие выхода из плоскости V-образных
стоек ферм (одновременно 8 стоек) от поворота узла сопряжения стоек с
нижним поясом. Причиной этого послужило образование шарнира пла¬
стичности в фасонке этого узла.
Анализ экспериментальных данных по результатам первого этапа испы¬
таний показал, что принятое проектное решение в основном обладает на¬
дежностью, определяемой показателями прочности, устойчивости и де-
формативности. Это подтверждено хорошей качественной и в большинстве
119

случаев количественной сходимостью экспериментальных и теоретических
данных. Для увеличения несущей способности конструкции было принято
решение на втором этапе испытаний усилить узел сопряжения V-образных
стоек с нижним поясом, а также исключить непроектную податливость
резьбовых соединений V-образных стоек.
Рис. 2.48. Модель после разрушения
Второй этап испытаний. Во вторую модель были внесены следую¬
щие изменения и дополнения. Средняя часть V-образных стоек (вставка-
муфта) была усилена обоймами в виде двух элементов, вырезанных из од¬
ной трубки продольным резом (рис. 2.49, а, б). Эти элементы приварива¬
лись к стойкам после преднапряжения модели. Такое решение позволило
исключить непроектную податливость резьбовых соединений элементов
муфт. Узел сопряжения V-образных стоек с нижним поясом был усилен
двухсторонними полосовыми накладками (сечение 1,5><6 мм), заканчи¬
вающимися круглой стальной пластинкой диаметром 45 мм с центральным
отверстием для плотной установки на ось шарнира. Полосовые накладки
приваривались к V-образным стойкам после преднапряжения модели
(рис. 2.49, в). Аналогичное усиление было внесено в проект несущих ме¬
таллоконструкций покрытия.
120

Рис. 2.49. Изменения в модели на втором этапе испытаний:
а — модель без изменений; б — усиление средней части V-образных стоек
трубчатыми обоймами; в — усиление узлов сопряжения V-образных стоек
с нижним поясом полосовыми накладками
121

На втором этапе эксперимента определялись прогибы и перемещения
узлов, а также напряжения в элементах конструкции при различных схе¬
мах и величинах нагрузок (включая превышение на 30 % расчетной).
Преднапряжение модели выполнялось аналогично первому этапу испыта¬
ний. Расхождения начальной геометрии ферм второй модели и удлинений
V-образных стоек после преднапряжения по сравнению с расчетными ве¬
личинами не превышали 1,5 %.
Сопоставления теоретических и экспериментальных данных по прогибам
и перемещениям для различных этапов нагружения второй модели приведе¬
ны в табл. 2.42-^2.48. Сопоставление теоретических и экспериментальных
данных по прогибам и перемещениям для нагрузок, превышающих расчет¬
ную на 20 % и 30 %, приведено в табл. 2.49 и 2.50. Схема номеров сечений
для этих таблиц дана на рис. 2.46. На рис. 2.50 приведен график зависимости
экспериментальных прогибов и перемещений от нагрузки. В табл. 2.51-^2.61
приведены результаты экспериментальных напряжений в сечениях элемен¬
тов модели покрытия и сопоставление их с теоретическими данными. (Номе¬
ра сечений для этих таблиц даны на рис. 2.51.) Принятые обозначения: gn —
напряжения от продольных усилий; <3мх, &му - напряжения от изгибающих
моментов в вертикальной и горизонтальной плоскостях.
Таблица 2.42
Прогибы и перемещения от предварительного напряжения
W, мм
и, мм
номера сечений
1
2
3
4
5
6
7
8
9
Проект
15,1
21,4
23,5
21,4
15,1
-36,5
-36,5
-36,5
-5,4
Ф1
12,3
19,4
22,5
21,3
16,1
-35,3
-39,8
-36,7
-5,5
Ф2
15,0
20,5
22,0
20,3
14,3
-34,8
-41,8
-38,1
-5,4
Среди.
13,7
20,0
22,3
20,8
15,2
-35,1
-40,8
-37,4
-5,5
А, %
-9
-6
-5
-3
1
-4
12
3
1
Таблица 2.43
Прогибы и перемещения от постоянной нагрузки
W, мм
и, мм
номера сечений
1
2
3
4
5
6
7
8
9
Проект
-11,7
-15,1
-17,6
-15,1
-11,7
-13,4
-13,4
-13,4
2,2
Ф1
-11,7
-15,2
-17,8
-14,8
-11,2
-13,1
-13,2
-12,7
2,3
Ф2
-11,3
-14,9
-17,6
-15,3
-11,8
-12,8
-13,1
-13,1
2,5
Среди.
-11,5
-15,1
-17,7
-15,1
-11,5
-13,0
-13,2
-12,9
2,4
А, %
-2
0
1
0
-2
-3
-2
-4
9
122

Таблица 2.44
Прогибы и перемещения от постоянной нагрузки и снеговой нагрузки-1
W, мм
и, мм
номера сечений
1
2
3
4
5
6
7
8
9
Проект
-21,6
-28,0
-32,8
-28,0
-21,6
-24,7
-24,7
-24,7
3,9
Ф1
-21,4
-27,7
-33,8
-27,9
-21,5
-24,2
-24,9
-24,1
4,1
Ф2
-21,3
-28,0
-33,3
-28,1
-21,1
-24,0
-23,0
-23,9
4,8
Среди.
-21,4
-27,9
-33,6
-28,0
-21,3
-24,1
-24,0
-24,0
4,5
А, %
-1
-1
2
0
-1
-2
-3
-3
14
Таблица 2.45
Прогибы и перемещения от постоянной нагрузки и снеговой нагрузки-П
пиши
W, мм
и, мм
номера сечений
1
2
3
4
5
6
7
8
9
Проект
-20,7
-26,9
-33,4
-29,9
-23,2
-23,6
-25,1
-26,6
3,9
Ф1
-21,1
-28,1
-35,6
-30,5
-23,8
-23,7
-25,2
-26,6
4,4
Ф2
-21,3
-28,4
-35,0
-30,5
-23,2
-23,8
-24,2
-26,1
4,5
Среди.
-21,2
-28,3
-35,3
-30,5
-23,5
-23,8
-24,7
-26,4
4,5
А, %
2
5
6
2
1
1
-2
-1
14
Таблица 2.46
Прогибы и перемещения от постоянной нагрузки и снеговой нагрузки-Ш
W, мм
W, мм
номера сечений
1
2
3
4
5
6
7
8
9
Проект
-15,6
-19,2
-21,9
-19,2
-15,6
-17,2
-17,2
-17,2
2,8
Ф1
-17,3
-20,5
-24,6
-20,5
-16,0
-18,5
-17,5
-17,6
3,1
Ф2
-16,2
-20,5
-23,8
-20,9
-16,7
-17,6
-14,6
-18,0
3,1
Среди.
-16,8
-20,5
-24,2
-20,7
-16,4
-18,1
-16,1
-17,8
3,1
А, %
7
7
10
8
5
5
-7
3
11
123

Таблица 2.47
Прогибы и перемещения от постоянной нагрузки и снеговой нагрузки-ГУ
лшпшпт
W, мм
и, мм
номера сечений
1
2
3
4
5
6
7
8
9
Проект
-16,2
-20,0
-21,3
-16,8
-13,0
-18,1
-16,5
-14,8
2,7
Ф1
-16,7
-21,4
-24,0
-18,5
-14,8
-18,5
-16,9
-16,2
2,8
Ф2
-17,4
-21,8
-23,5
-18,5
-13,9
-18,9
-14,0
-15,5
3,0
Среди.
-17,1
-21,6
-23,8
-18,5
-14,4
-18,7
-15,5
-15,9
2,9
Д,%
5
8
12
10
10
3
-6
7
7
Таблица 2.48
Прогибы и перемещения от постоянной нагрузки и снеговой нагрузки-V
W, мм
W, мм
номера сечений
1
2
3
4
5
6
7
8
9
Проект
-11,3
-14,7
-23,6
-27,3
-22,7
-12,4
-19,0
-25,5
3,0
Ф1
-12,8
-15,7
-25,1
-27,9
-23,7
-13,5
-18,1
-26,0
3,0
Ф2
-11,4
-15,7
-25,1
-28,5
-24,6
-12,5
-16,0
-26,6
3,7
Среди.
-12,1
-15,7
-25,1
-28,2
-24,2
-13,0
-17,1
-26,3
3,4
Д,%
7
7
6
3
6
5
-10
3
12
Таблица 2.49
Прогибы и перемещения от нагрузки, превышающей
расчетную равномерную на 20 % (qup = 6,07 кН/пм)
W, мм
W, мм
номера сечений
1
2
3
4
5
6
7
8
9
Проект
-25,7
-33,2
-39,1
-33,2
-25,7
-29,3
-29,3
-29,3
4,5
Ф1
-26,4
-33,8
-41,9
-34,7
-26,3
-29,6
-29,7
-29,6
5,4
Ф2
-25,7
-33,8
-40,8
-34,7
-26,5
-28,8
-27,2
-29,6
6,0
Среди.
-26,1
-33,8
-41,4
-34,7
-26,4
-29,2
-28,5
-29,6
5,7
Д,%
1
2
6
5
3
0
-3
1
27
124

Таблица 2.50
Прогибы и перемещения от нагрузки, превышающей
расчетную равномерную на 30 % (дпр = 6,54 кН/пм)
W, мм
и, мм
номера сечений
1
2
3
4
5
6
7
8
9
Проект
-27,7
-35,8
-42,3
-35,8
-27,7
-31,6
-31,6
-31,6
4,8
Ф1
-28,3
-36,4
-45,2
-37,4
-28,3
-31,8
-32,1
-31,9
5,9
Ф2
-27,7
-36,4
-43,9
-37,4
-28,4
-31,1
-32,0
-31,8
6,5
Среди.
-28,0
-36,4
-44,6
-37,4
-28,4
-31,5
-32,1
-31,9
6,2
А, %
1
2
5
5
2
0
1
1
29
3
Рис. 2.50. График зависимости прогибов и перемещений от нагрузки
(второй этап испытаний):
• • •	эксперимент; -Д- -Д Д	теория
125

Таблица 2.58
Постоянная нагрузка + снеговая нагрузка-П 1 UNHH
L Нижний пояс
Номера сечений
8 | 9 | 10
8
9
10
8 | 9 | 10
CTyv, МПа
а^с, МПа
Ому, МПа
Проект
273,4
284,4
280,0
0
0
0
0
0
0
Ф1
275,6
277,2
280,4
8,9
4,2
2,1
3,7
4,2
-1,05
Ф2
279,8
294,0
279,8
13,1
6,3
-21,5
3,7
4,2
7,9
Среди.
277,7
285,6
280,2
11,0
5,3
-9,7
3,7
4,2
3,4
А, %
2
0,4
0
—
—
—
—
—
—
2, Верхний пояс
Номера сечений
1
2
3 1
4 |
5
6 |
1 7
ст#, МПа
Проект
-105,3
-104,5
-109,6
-109,1
-109,6
-107,0
-107,9
Ф1
-106,6
—
-107,1
-128,1
-109,2
-122,3
-110,3
Ф2
-101,9
—
-113,9
-90,3
—
-116,0
-112,9
Среди.
-104,3
—
-110,5
-109,2
-109,2
-119,2
-111,6
А, %
-1
—
1
0
-0,4
И
3
МПа
Проект
-78,8
14,3
95,8
-47,6
58,9
7,7
-86,2
Ф1
-62,5
—
96,6
-91,4
64,1
-3,7
-91,4
Ф2
-64,1
—
71,9
-29,4
—
25,7
-83,5
Среди.
-63,3
—
84,3
-60,4
64,1
11,0
-87,5
А, %
-20
—
-12
27
9
43
2
аму, МПа
Проект
0
0
0
0
0
0
0
Ф1
-1,1
—
17,9
30,4
1,05
-15,2
2,6
Ф2
-16,3
—
-7,9
-22,0
—
-2,6
-6,3
Среди.
-8,7
—
5,0
4,2
1,05
-8,9
-1,9
5. Стойки
Номера сечений
И | 12
11 | 12
11 | 12
Стдг, МПа
Ом, МПа
а^МПа
Проект
19,6
-77,6
0
0
0
0
Ф1
-4,2
-104,5
-24,2
-23,1
-1,1
64,1
Ф2
14,7
-86,1
57,8
9,5
11,6
20,0
Среди.
5,3
-95,3
16,8
6,8
5,3
42,0
9 Заказ 1067
129

На рис. 2.52 и 2.53 приведены экспериментальные эпюры прогибов, про¬
дольных усилий, изгибающих моментов и напряжений в основных элементах
модели фермы. Там же даны соответствующие теоретические эпюры. В экс¬
периментальных данных учтены дополнительные напряжения от изгибаю¬
щих моментов из плоскости фермы. Анализ результатов второго этапа испы¬
таний показал следующее. Качественная картина деформированного состоя¬
ния конструкции модели соответствовала проектной. Осредненные значения
экспериментальных прогибов отличались от теоретических значений не бо¬
лее чем на 10 %, а в 90 % случаев эта разница не превышала ±5 %. Наиболь¬
шие различия оказались по горизонтальным перемещениям подвижного
опорного узла. Напряженное состояние конструкции модели также соответ¬
ствовало проектной. Все элементы модели покрытия при воздействии на них
расчетных нагрузок находились в упругой стадии работы. Наибольшие раз¬
личия между экспериментальными и теоретическими данными оказались:
-	для нижнего пояса — на первых этапах нагружения (особенно на стадии
предварительного напряжения), когда выбирались начальные погиби;
-	для верхнего пояса — по изгибным напряжениям, так как их величины,
ввиду двухзначной эпюры моментов и соответственно больших гради¬
ентов по длине фермы, существенно зависят от расположения датчиков.
Небольшое смещение от расчетного сечения приводит к значительным
изменениям изгибных напряжений;
-	для стоек — по продольным напряжениям, ввиду относительно малых
их величин.
В то же время различия между максимальными экспериментальными и
теоретическими величинами продольных усилий, изгибающих моментов и
напряжений в большинстве случаев не превышали 10 % (табл. 2.62). Таким
образом, эксперимент показал удовлетворительное совпадение с теорети¬
ческими данными как качественно, так и количественно.
Таблица 2.62
Сопоставление максимальных экспериментальных и теоретических усилий
Элемент
Усилие
Эксперимент /
теория
А, %
Вариант снеговой
нагрузки
Нижний
пояс
Ушах? КН
62,8 / 62,6
0,3
пиши
Верхний
пояс
-Ущах? КН
-68,4/-62,9
9
итшш
Мпах. КН-СМ
153,3/191,8
-20
ГЬзштгнгТТГ.
<W, МПа
-199,1 /-218,6
-9
Стойки
СТтах, МПа
-106,1 /-98,5
8
Ишш'зшИТ
П р и м е ч а и и е: А = [(эксперимент - теория)/эксперимент] х 100 %.
133

CM
(n), kH
(а), МПа
Рис. 2.52. Эпюры для варианта загружения модели постоянной и равномерно
распределенной снеговой нагрузкой IlllllllllllllllU:
• •—•	эксперимент; -Д- -Д- Д	теория
134

©
CM
9
Рис. 2.53. Эпюры для варианта загружения модели постоянной и неравномерно
распределенной снеговой нагрузкой ГГпггтпттТТЩ:
• ♦ •	эксперимент; -Д- Д	теория
135

Экспериментально выявлен ряд особенностей работы конструкции, не
учтенных в первоначальных расчетах. Под нагрузкой конструкция работает
не только в вертикальной, но и в горизонтальной плоскости. Причиной это¬
го является: во-первых, наличие горизонтальных эксцентриситетов в узле
примыкания V-образных стоек к нижнему поясу (величина эксцентрисите¬
та каждой из стоек модели относительно оси симметрии составила 2,0 мм),
а во-вторых, наличие начальных погибей в стойках, при различных вели¬
чинах усилий в каждой из стоек даже по знаку. Это приводит к закручива¬
нию и горизонтальным перемещениям нижнего пояса, к дополнительным
изгибным напряжениям из плоскости нижнего пояса и стоек (максималь¬
ные экспериментальные величины соответственно составили 13,6 и 49
МПа). В эксперименте выявлено, что за счет трения шарнирные узлы ока¬
зываются упруго защемленными. Это приводит к возникновению дополни¬
тельных изгибных напряжений в вертикальной плоскости затяжек и стоек.
Для модели они оказались соответственно равными 21,6 и 18 МПа. Кроме
того, очевидно по этой же причине, после разгрузки модель полностью не
возвращалась в исходное состояние.
Таким образом, в конструкции возникают не учтенные в расчетах до¬
полнительные напряжения, максимальные экспериментальные суммарные
величины которых составили: для верхнего пояса — 28 МПа; для нижнего
пояса — 35 МПа; для стоек — 67 МПа. Это привело к увеличению макси¬
мальных теоретических величин: в верхнем и нижнем поясах на 12 %, а в
V-образных стойках на 60 %. При этом суммарные напряжения в элементах
модели нигде не превышали расчетных сопротивлений материала.
Модель на 2-ом этапе экспериментальных исследований не была дове¬
дена до разрушения. Максимальная равномерно распределенная нагрузка,
приложенная к модели, в 1,3 раза превышала расчетную, включающую по¬
стоянную и полную снеговую нагрузки.
Испытаниями крупномасштабной модели экспериментально подтвер¬
ждена надежность проектных решений несущих металлоконструкций при¬
менительно к покрытию атриума «Гостиного Двора», определяемая показа¬
телями прочности, устойчивости и деформативности.
Литература к главе 2
2.1.	Аистов Н.Н. Испытания сооружений. - Л.: Госстройиздат, 1960. - 316 с.
2.2.	Басов К.А. ANSYS: справочник пользователя. - М.: ДМК Пресс, 2005. - 640 с.
2.3.	Беляев Н.М. Сопротивление материалов. - М.: Изд-во Наука, 1965. - 856 с.
2.4.	Бордюгов В.Д. Сталькон на реконструкции Старого Гостиного Двора. // Мон¬
тажные и специальные работы в строительстве. - 1999. - № 5. - С. 33-37.
2.5.	Динник А.Н. Устойчивость арок. - М.: Гостехиздат, 1946. - 128 с.
2.6.	Дьяков М.Я. Устойчивость двухшарнирной арки с затяжкой и подвесками //
Строительная механика и расчет сооружений, № 2, 1961. - С. 35-38.
136

2.7.	Еремеев П.Г., Канчели Н.В. Большепролетное светопрозрачное покрытие
Гостиного Двора в Москве // Монтажные и специальные работы в строитель¬
стве. - 1998. - № 7-8. - С. 42-46.
2.8.	Еремеев П.Г., Канчели Н.В. Большепролетное светопрозрачное покрытие
Гостиного Двора в Москве //Архитектура и строительство Москвы. - 1999. -
№ 3. - С. 32-37
2.9.	Заварина М.В. Строительная климатология. - Л.: Гидрометеоиздат, 1976.
2.10.	Злочевский А.Б. Экспериментальные методы в строительной механике. - М.:
Стройиздат, 1983. - 192 с.
2.11 .Ишунина Л.С. К истории уникального памятника архитектуры // Монтажные
и специальные работы в строительстве. - 1999. - № 5. - С. 2-3.
2.12.	Каплун А.Б., Морозов Е.М., Олферъева М.А. ANSYS в руках инженера. - М.:
Едиториал УРСС, 2003. - 272 с.
2.13.	Кирпичев М.В. Теория подобия. - М.: Изд-во АН СССР, 1953. - 96 с.
2.14.	Киселев Д.Б. Комбинированные арочные системы. Экспериментальное иссле¬
дование модели // Строительная механика и расчет сооружений, № 2, 2007. -
С. 20-24.
2.15.	Киселев Д.Б. Численные исследования устойчивости комбинированных ароч¬
ных систем // Строительная механика и расчет сооружений, № 2, 2007. -
С. 20-24.
2.16.	Мануйлов Г.А., Косицын С.Б. О сценариях потери устойчивости равновесия
распорных систем // Строительная механика и расчет сооружений, № 5, 2006. -
С. 23-31.
2.17.	Маркин Н.С. Основы теории обработки результатов измерений. - М.: Изд-во
стандартов, 1991. - 176 с.
2.18.	Мастаченко В.Н. Надежность моделирования строительных конструкций. -
М.: Стройиздат, 1974. - 88 с.
2.19.	Металлические конструкции. Спец, курс / Под ред. Е.И. Беленя. - М.: Строй¬
издат, 1991. - 687 с.
2.20.	Моджук М.Д. Новая технология монтажной сварки пространственных метал¬
локонструкций. // Монтажные и специальные работы в строительстве. - 1999.
- № 5. - С. 33-37.
2.21 .Одесский П.Д., Ведяков И.И., Гуркалов П.И. Применение сталей высокой
прочности при реконструкции Гостиного Двора // Монтажные и специальные
работы в строительстве. - 1999. - № 5. - С. 13-17.
2.22.	Пособие по проектированию стальных конструкций (к СНиП 11-23-81*)
/ЦНИИСК им. Кучеренко. - М.: ЦИТП Госстроя СССР, 1989. - 148 с.
2.23.	Почтовик Г.Я., Злочевский А.Б., Яковлев А.И. Методы и средства испытания
строительных конструкций. - М.: Высш. шк., 1973. - 160 с.
2.24.	Райзер В.Д., Отставное В.А., Попов Н.А., Лебедева И.В. Климатические
нагрузки и воздействия для расчета конструкций покрытия Старого Гостиного
Двора. - Научно-технический отчет. ЦНИИСК им. Кучеренко. - М., 1997.
2.25.	«Рекомендации и нормативы технологии постановки болтов в монтажных
соединениях металлоконструкций». - М.: ЦНИИПСК, 1988. - 108 с.
2.26.	«Рекомендации по проектированию работающих на сдвиг болтовых соедине¬
ний стальных строительных конструкций». - М.: ЦНИИПСК, 1990. - 21 с.
2.27.	«Рекомендации по расчету, проектированию, изготовлению и монтажу флан¬
цевых соединений стальных строительных конструкций». - М.: ЦНИИПСК,
1989.-53 с.
137

2.28.	Ржаницын А.Р. Строительная механика. - М.: Высш. шк., 1991. - 439 с.
2.29.	Руководство по расчету зданий и сооружений на действие ветра. - М.: Строй¬
издат, 1978.-216 с.
2.30.	Седов Л.И. Методы теории подобия и размерностей в механике. - М.: Изд-во
Наука, 1972. - 440 с.
2.31.	Смлшу Э., Скаклан Р. Воздействия ветра на здания и сооружения. - М.:
Стройиздат, 1984. - 360 с.
2.32.	СНиП П-23-81*. Стальные конструкции. // — М.: Госстрой СССР. -1990. - 96 с.
2.33.	СНиП III-18-75. Правила производства и приемки работ. Металлические кон¬
струкции // — М.: Госстрой СССР, 1976. - 160 с.
2.34.	СНиП 2.01.07-85. Нагрузки и воздействия. - М.: ГУП ЦПП, 2003. - 42 с.
2.35.	СНиП 2.03.11-85. Защита строительных конструкций от коррозии // — М.: Гос¬
строй СССР, 1986. - 45 с.
2.36.	СНиП 3.03.01-87. Несущие и ограждающие конструкции // - М.: Госстрой
СССР, 1988.-190 с.
2.37.	СНиП 3.04.03-85. Защита строительных конструкций и сооружений от корро¬
зии. Правила производства и приемки работ.
2.38.	СП 53-102-2004. Общие правила проектирования стальных конструкций //
ЦНИИСК им. Кучеренко. - М., 2005. 131 с.
2.39.	Тензометрические приборы для исследования строительных конструкций.
/Под ред. Д.С. Баранова (ЦНИИСК). - М.: Стройиздат, 1971. - 168 с.
2.40.	Тимохин А.В. МИКЦ Корпорации Монтажспецстрой на реконструкции Старо¬
го Гостиного Двора // Монтажные и специальные работы в строительстве. -
1999.-№5.-С. 3-4.
2.41.	Yeremeyev P.G., Kancheli N.V. Large-span transparent roof for «Gostiny Dvor»
complex in Moscow. - Proceeding of the IASS Congress, June 22-26, 1998, Mos-
cow/Russia, Vol. II. - p.p. 469-476.
138

Глава 3
ПОКРЫТИЕ НАД ТРИБУНАМИ СТАДИОНА «ЛОКОМОТИВ»
§ 3.1. Общие сведения
На первой стадии проектирования предусматривалась реконструкция
центральной футбольно-легкоатлетической арены — стадиона на 23 тыся¬
чи зрителей постройки середины 60-х годов. Предполагалась надстройка
второго яруса трибун с увеличением численности зрителей до 30 тысяч,
устройство светопрозрачного покрытия над трибунами с искусственным
освещением поля, установка современных табло и т. д. При обследовании
технического состояния были обнаружены значительные повреждения кон¬
струкций трибун и непригодность их к ремонту. Была поставлена новая
задача по возведению новой современной футбольной арены [3.6].
Стадион (рис. 3.1) представляет собой пятиэтажное сооружение с двумя
ярусами трибун (нижний ярус — 20 рядов, верхний — 17). Между верхним и
нижним ярусами располагаются ложи с двумя зрительскими рядами. Цен¬
тральная арена не имеет беговых дорожек, трибуны максимально приближе¬
ны к полю. По требованиям УЕФА вокруг футбольного поля на расстоянии
6^7,5 м устроен ров безопасности глубиной 4 и шириной 3 м. Овальные в
плане трибуны построены по трехцентровым кривым для лучшего обзора
поля со всех мест (рис. 3.2). Очертание трибун задало положение радиально-
кольцевой системы осей всего сооружения. При этом наряду с архитектурно¬
планировочными требованиями решалась задача унификации элементов кон¬
струкции с максимальной их повторяемостью. Для этого тангенциальные и
радиальные оси расположены на дугах сопряженных окружностей с одина¬
ковым шагом колонн по наружной кольцевой оси сооружения.
Рис. 3.1. Общий вид
139

Рис. 3.2. План стадиона на уровне арены
Два кольцевых проема высотой в этаж (рис. 3.3, 3.4), один — над ниж¬
ним, а другой — над верхним ярусом, расположены почти по всему пери¬
метру трибун. В соответствии с компьютерными исследованиями, прове¬
денными специалистами ГосНИИ авиационных систем [3.9], эти проемы
оказались необходимыми для аэрации футбольного поля, а также для пре¬
дотвращения застоя воздуха в верхних зонах ярусов трибун и снятия там
температурного перегрева в жаркие дни.
Рис. 3.3. Северный фасад стадиона
В настоящей главе использованы материалы, опубликованные в журнале «Спе¬
циальные и монтажные работы в строительстве» № 8, 2002 г.
140

Рис. 3.4. Поперечный разрез стадиона
Устройство фундаментов сооружения было определено конструктивной
схемой и характеристиками грунтов основания. Почти по всей площади за¬
стройки центральной арены залегает пласт моренного тугопластичного суг¬
линка мощностью 4^6 м. На некоторых участках в основание фундамента
попадают линзы пылеватых песков, по размерам сопоставимые с габаритами
фундаментов. Принимая во внимание неравномерность воздействия времен¬
ных нагрузок на трибуны от зрителей, которые составляют 35-МО % от пол¬
ной нагрузки, фундаменты под основные трибуны запроектированы в виде
плиты переменной толщины. В зонах расположения колонн она имеет высо¬
ту 1950 мм (из условия продавливания), а в остальных — 1000 мм. Расчеты,
проведенные в НИИОСП им. Герсеванова, показали, что прочность фунда¬
ментной плиты обеспечивает восприятие нагрузок, а деформации основания
находятся в допустимых пределах. По ближайшей к полю кольцевой оси
каркаса трибун заложены отдельные столбчатые фундаменты, которые в си¬
лу небольших нагрузок и значительного отдаления (до 10 м) от следующей (в
наружную сторону) кольцевой оси более рациональны, чем плита.
Каркас трибун центральной арены, перекрытия и гребенка амфитеатра
запроектированы из монолитного железобетона. Выполнены расчеты тем¬
пературных деформаций конструкций чаши (при перепаде температур
±50 °С), на основании которых принято решение об устройстве через каж¬
дые три модуля радиальных температурных швов в перекрытиях и гребен¬
ке амфитеатра. Ввиду того, что большая часть конструкций практически не
защищена от воздействий дождя, снега и перепадов температур, для них
был применен (по специально разработанным для этого объекта рекомен¬
дациям) высокопрочный морозостойкий и водонепроницаемый модифици¬
рованный бетон с характеристиками по морозостойкости F300 и водоне¬
проницаемости W12. Все бетонные работы на объекте велись при техниче¬
ском сопровождении НИИЖБ [3.5].
Устойчивость каркаса трибун в радиальном направлении обеспечивается
рамами (колонны сечением 1200x500 мм и 500x500 мм, ригели 560x600 мм).
В кольцевом направлении устойчивость каждого температурного отсека
(три модуля с четырьмя радиальными рамами) обеспечивается жесткими
141

узлами сопряжения элементов складок амфитеатра и монолитных перекры¬
тий толщиной 25 см с ригелями, а также защемлением в колоннах моно¬
литных балок лестничных площадок (500x800 мм).
На первом этапе проектирования (первоначальная реконструкция) была
поставлена задача формирования таких решений, которые позволяли бы
вести строительные работы, не нарушая ритма календарных игр. В апреле
2000 года началась разборка северной, а через две недели и южной трибун.
Вскоре стало ясно, что при этих условиях начало работ по возведению вос¬
точной и западной трибун отодвинется на декабрь. Поэтому в июле на ста¬
дионе были прекращены игры, разобраны восточная и западная трибуны,
началось возведение новых конструкций. Осенью были выпущены чертежи
КМ навеса над трибунами и фундаментов пилонов.
В течение всего периода строительства осуществлялся геодезический мо¬
ниторинг осадок фундаментов трибун и пилонов. Осадки фундамента одного
из пилонов (от момента бетонирования фундаментной плиты до отложения
январского снега на козырьке) составили в среднем 36 мм, остальных пило¬
нов — 9^-12 мм. По мере возведения пилонов положение опалубки каждой из
захваток корректировалось с учетом соответствующих осадок фундаментов и
других факторов для обеспечения жестких требований по окончательному
расположению в плане оголовков пилонов. Иначе, согласно расчетам, верх
железобетонных пилонов под собственным весом отклонялся по горизонтали
до 50 мм. Ввиду сложной геометрии была применена специально разрабо¬
танная подъемно-переставная опалубка фирмы «Дойче-Дока».
Проект стадиона разработан авторским коллективом мастерской № 6
МНИИП Моспроект-4, несущие конструкции покрытия над трибунами
[3.4] — специалистами ЦНИИСК им. Кучеренко и ЦНИИПСК им. Мельни¬
кова (см. § 3.2). Проектирование светопропускающих панелей кровли вы¬
полнено ОСК МНИИП Моспроект-4.
Генеральный подрядчик по строительству объекта — ЗАО «Балтийская
Строительная Компания» (БСК). Субподрядные организации — БСК-44
(при участии «Ингеокомспецстроя»), БСК-24, БСК-55.
Монтаж металлоконструкций и вант выполнен 1-м МСМУ АО «Сталь-
монтаж» [3.2]. Эта же организация совместно с ООО «Агрисовгаз» осуще¬
ствила монтаж светопрозрачной кровли.
Несущие металлические конструкции козырька над трибунами изготов¬
лены на Белгородском ЗМК [3.7], ванты — в Германии и Англии на заво¬
дах фирмы «Брайдон Интернешнл Лтд.» [3.10], светопрозрачные панели —
на заводах ООО «Агрисовгаз» [3.19].
Геодезические работы и мониторинг при возведении объекта осуществ¬
ляли геодезисты ГУП «ГСПИ» [3.15].
Функции технического заказчика по строительству осуществлял отдел
дирекции по комплексной реконструкции магистрали Москва—Санкт-
Петербург.
Новое конструктивное решение покрытия над трибунами обосновано
комплексными исследованиями вариантов проектных решений и числен¬
142

ным моделированием напряженно-деформированного состояния системы
[3.4]. ЦНИИСК им. Кучеренко осуществлял научно-техническое сопрово¬
ждение изготовления и монтажа конструкций. Аэродинамические испыта¬
ния сооружения [3.11] проведены Институтом механики МГУ им. Ломоно¬
сова, на основании этих продувок в ЦНИИСК им. Кучеренко были разра¬
ботаны [3.13, 3.14] рекомендации по климатическим нагрузкам и
воздействиям. Поверочный комплексный расчет сооружения [3.1] проведен
специалистами ООО «Еврософт» и ОАО ЦНИИпроект.
График выполнения работ по проектированию, изготовлению и
монтажу металлических конструкций навеса над трибунами
стадиона
Апрель 2000 г. — разборка северной, а через две недели и южной трибун.
Июль 2000 г. — на стадионе прекращены игры.
Осень 2000 г. — выпуск чертежей КМ навеса и фундаментов пилонов.
Ноябрь 2001 г. — окончание изготовления конструкции.
Апрель 2001 г. — начало монтажа.
Начало июля 2001 г. — завершение монтажа кольца.
Сентябрь 2001 г. — (по окончанию бетонировки пилонов) начат монтаж
основных тросов и подвесок несущей вантовой системы.
22 ноября 2001 г. — раскружаливание навеса над трибунами стадиона.
§ 3.2. Конструктивное решение покрытия над трибунами
В основу разработки технических решений положены следующие тре¬
бования: оптимизация конструктивной формы для минимизации расхода
материала; максимальная технологичность конструкции в изготовлении и
монтаже; соответствие архитектурным замыслам.
3.2.1.	Форма плана и поверхности покрытия над трибунами
Очертание покрытия в плане представляет собой сплюснутый овал с на¬
ружными размерами по главным осям сооружения — 205,67 и 157,35 м.
Ширина козырька — 33 м (рис. 3.5, а). Овальное очертание покрытия при¬
нималось в виде плавной кривой, составленной из дуг сопряженных ок¬
ружностей трех радиусов. Шаг наружных колонн трибун, равный 8,61 м,
принимался одинаковым по всему периметру сооружения. Аппроксимация
очертания плана покрытия дугами сопряженных окружностей позволила
максимально сократить количество типоразмеров конструктивных элемен¬
тов и узлов их сопряжения.
Внутренний край козырька (со стороны футбольного поля) расположен
на отметке 34,00 м (рис. 3.5, б). От него покрытие на ширине 27,5 м имеет
уклон 10° в наружную сторону (определялось требованиями применения
светопрозрачной кровли из поликарбоната). Наружный участок покрытия
шириной 5,5 м имеет такой же обратный уклон. В ендове, в наиболее низ¬
кой части покрытия, на отметке 29,00 м, расположен кольцевой водосток с
электроподогревом для приема дождевых и талых вод.
143

б)
144
Рис. 3.5. Металлические конструкции козырька над трибунами:
а — план; б — разрез 1-1

Поверхность покрытия над трибунами представляет собой некруговую
коническую оболочку с центральным вырезом. Однако сплюснутый оваль¬
ный план козырька, определенный архитектурно-планировочными требо¬
ваниями, не позволил в полной мере использовать преимущества простран¬
ственной конструкции. Поэтому в нее были введены несущие висячие эле¬
менты, а угловые зоны покрытия усилены дополнительными связями.
3.2.2.	Общая компоновка конструктивной схемы
Несущие металлические конструкции покрытия (козырька) над трибу¬
нами выполнены в виде радиально-кольцевой системы. Пролетная часть
радиальных элементов (70 шт.) подкреплена шпренгельной раскосной фер¬
мой, максимальной высотой 3,25 м. Нижние пояса шпренгельных ферм из
их плоскости объединены в узлах тремя кольцевыми тяжами. В плоскости
покрытия по осям симметрии и в угловых зонах расположены радиальные
панели связей. Там же расположены вертикальные связи. Радиальные эле¬
менты на самой нижней отметке опираются на наклонные железобетонные
консольные стойки. Этот узел (рис. 3.6, a) запроектирован как шарнирно¬
неподвижный. От него на расстоянии 22 м в сторону поля расположена
стальная коробчатая балка — внутреннее кольцо пространственного по¬
крытия (рис. 3.6, б). Кольцевая балка подвешена к вантовой системе. В ос¬
тальных панелях радиальных элементов шагом 5,5 м расположены шесть
линий кольцевых прогонов, на которые опираются светопрозрачные панели.
Все прогоны двутаврового сечения высотой 350 мм с максимальным про¬
летом 8,61 м объединены жестко с верхним поясом радиальных ферм (свар¬
ной двутавр высотой 600 мм, с уменьшением высоты балки на концах консо¬
лей до 350 мм), образуя пространственную стержневую систему. Радиальные
элементы собирались из трех отправочных марок, объединенных между со¬
бой и с коробчатой балкой фланцевыми соединениями на высокопрочных
болтах М24. Элементы решетки шпренгельных ферм и связи в плоскости
козырька выполнены отдельными элементами из труб, с узлами на монтаж¬
ной сварке. Тяжи и вертикальные связи из круглого проката 030 мм крепи¬
лись на болтах, с установкой форкопфов в каждой панели, для корректиров¬
ки их длины и конструктивного предварительного напряжения. Все двутав¬
ровые балки (верхние пояса шпренгельных ферм, прогоны) и тяжи выпол¬
нены из стали С345, трубы (стальные бесшовные горячекатаные 0219х22 и
стальные электросварные прямошовные 0140x5 и 168 х 6) — из стали С20.
Кольцевая несущая балка собиралась из прямолинейных сварных бло¬
ков трех типоразмеров длиной 8,2, 7,12 и 3,13 м. Балка прямоугольного
коробчатого сечения с габаритными размерами 660 мм (ширина) и 1460 мм
(высота) выполнена из листов толщиной 30 мм (сталь С390). Неизменяе¬
мость поперечного сечения балок обеспечивается диафрагмами, а местная
устойчивость стенок — продольными ребрами жесткости. В местах сопря¬
жения с радиальными элементами в коробчатых балках предусмотрены
двухсторонние консоли, заканчивающиеся фланцами. Монтажный стык по
стенкам и полкам элементов коробчатой балки запроектирован на двухсто-
10 Заказ 1067
145

ронних накладках, объединенных высокопрочными болтами М24, обеспе¬
чивающих сдвигоустойчивое (фрикционное) соединение. Кольцевые балки
на стадии монтажа устанавливались на одной отметке. Сечение коробчатой
балки повернуто на 10° к горизонту, что соответствует уклону козырька.
При раскружаливании плоская кольцевая балка деформировалась в депла-
нированное кольцо со строительным подъемом 200 мм по середине корот¬
ких сторон покрытия и 300 мм — по длинным, оставаясь в угловых зонах
на первоначальной отметке.
Поверх несущих металлоконструкций козырька смонтированы собран¬
ные на земле светопрозрачные панели, состоящие из стальных рам, алюми¬
ниевых профилей и ячеистого поликарбоната. Они уложены таким образом,
а)
Рис. 3.6. Конструктивные узлы:
а — узел опирания радиальных элементов на железобетонные стойки; б — узел сопряжения
радиальных элементов с кольцевой балкой
146

чтобы край каждой вышележащей панели нависал с перехлестом над ниже¬
лежащей. Поверх листов поликарбоната не предусмотрены поперечные
алюминиевые профили, для того чтобы не препятствовать стоку талых и
дождевых вод и не задерживать грязь.
В четырех углах покрытия размещены Л-образные железобетонные пи¬
лоны высотой более 50 м. На верху пилонов установлены стальные оголов-
ники, в которых анкеруются провисающие ванты, образующие в плане замк¬
нутый четырехугольник. К основным вантам шагом 14-47 м, с использова¬
нием литых сжимов, крепятся попарно наклонные подвески. К подвескам со
стороны поля подвешена кольцевая коробчатая балка, а вторые (стабилизи¬
рующие) подвески крепятся к верхнему поясу радиальных балок над опорой
на наклонных железобетонных консольных стойках (см. рис. 3.6, а).
3.2.3.	Угловые пилоны с оттяжками
При проектировании угловых пилонов, выполненных из железобетона
класса В60, наряду с обеспечением их прочности и устойчивости решались
следующие задачи: рациональное расположение оголовников пилонов в
плане; определение высоты пилонов, размеров их сечения и -положения
продольной оси; определение геометрии и жесткости оттяжек.
Оголовники пилонов располагаются по оси симметрии угловых зон по¬
крытия. Их расположение определяет положение основных несущих вант.
Высота пилонов определялась стрелой провиса основных вант, отметкой
верха светопрозрачного покрытия и минимальным зазором между ними,
принятым равным одному метру. Каждая из двух ветвей Л-образных пило¬
нов, жестко защемленных в фундаментной плите и сходящихся вверху,
имеет прямоугольное сечение, уменьшающееся к оголовку. При проекти¬
ровании необходимо было выполнить ряд условий. На уровне земли разме¬
ры сечений и расстояние между ветвями пилонов определялись объемно¬
планировочными требованиями (ширина проездов, привязка к конструкци¬
ям трибун и т. п.). Размеры сечений и расстояние между ветвями пилонов в
местах пересечения с козырьком определялись расположением несущих
конструкций покрытия над трибунами. Продольная ось пилонов отклонена
от вертикали на 9° в наружную от поля сторону, что позволило использовать
их в качестве частичного противовеса усилиям растяжения основных вант.
Одним из основных параметров, влияющих на работу конструктивной
системы в целом, является жесткость пилонов. Горизонтальные перемещения
верха пилонов определяют сближение опор несущих вант и соответственно
кинематическую составляющую их прогибов, что отражается на перемеще¬
ниях, деформациях и усилиях в элементах несущих конструкций козырьков.
Увеличение изгибной жесткости пилонов, работающих как консоль, защем¬
ленная в фундаменте, лимитировалось габаритами сечения его ветвей. Для
уменьшения податливости пилонов они удерживаются (в направлениях, про¬
тивоположных вантам) парой расходящихся наклонных оттяжек, верхний
конец которых шарнирно закреплен в оголовнике пилона, а нижний —
в анкерном фундаменте, воспринимающем усилия за счет собственной
ю*
147

массы. Каждая из оттяжек (рис. 3.7) состоит из четырех звеньев длиной 12 м,
объединенных между собой шарнирами. Сечение оттяжки — два листа
50x800 мм из стали С345, связанных между собой через 1,5 м прокладками
3-3
51.81
148

толщиной 100 мм. Цилиндрические шарниры диаметром 190 мм выполнены
из стали 40Х. Общая длина каждой из оттяжек с участками, примыкающими
к оголовнику пилона и анкерному фундаменту, составляет 60,2 м, при разно¬
сти отметок — 56,4 м, угол наклона оттяжек к горизонтали — 69,4°. Началь¬
ная стрела провиса оттяжек от хорды принята равной 400 мм. В анкерном
фундаменте были предусмотрены устройства, позволившие на монтаже ре¬
гулировать длину оттяжки и соответственно стрелу ее провиса.
Анкерные фундаменты представляют собой железобетонные паралле¬
лепипеды размерами в плане 13x8 м и высотой 6 м. Фундаменты выполня¬
лись в две очереди: сначала бетонировался блок на глубине от 6 до 3 м, в
который заделывались два анкерных болта диаметром 72 мм. На них натя¬
гивались оттяжки только на усилия от собственного веса стальных конст¬
рукций навеса (без светопрозрачных панелей). После этого анкерные фун¬
даменты бетонировались до отметки поверхности земли (3 м) уже с основ¬
ным анкерным устройством, рассчитанным на полную нагрузку. На всю
высоту фундаментов, для исключения отрыва верхней части от нижней,
предусмотрены вертикальные анкерные стержни, рассчитанные на полное
отрывающее усилие.
3.2.4.	Вантовая система
Наиболее сложной частью конструкции является висячая система
(рис. 3.8), состоящая из основных канатов, подвесок и соединительных
элементов (сжимов), изготовленных на заводах английской фирмы «Брай-
дон Интернешнл Лтд.» и ее дочерних предприятиях.
Основные несущие ванты выполнены из двух канатов диаметром 140 мм,
расположенных параллельно друг другу на расстоянии 900 мм. Количество
канатов и их диаметр определялись исходя из требуемой несущей способно¬
сти с учетом ограничений по габаритам оголовников, в которых анкеруются
канаты. Были рассмотрены варианты использования канатов меньших диа¬
метров и соответственно веса, что облегчало бы их монтаж. Однако увеличе¬
ние их количества существенно усложняло узлы заделки анкеров в оголов-
ники пилонов и узлы объединения канатов сжимами. Кроме того, в такой
системе сложнее добиться равномерного включения в работу каждого из
элементов. Канаты диаметром 140 мм имеют минимальное разрывное усилие
18 700 кН. Для придания канатам стабильных характеристик они предвари¬
тельно вытягивались циклической нагрузкой от 1870 до 4500 кН, что соот¬
ветственно составляет 10^-24 % от разрывного усилия. Верхний уровень оп¬
ределялся максимальными возможностями приспособления для предвари¬
тельной вытяжки каната фирмы «Брайдон», что ниже величины, обычно
рекомендуемой стандартами. Однако после нескольких циклов нагрузки и
разгрузки петли гистерезиса записей самопишущего прибора совпали при
величине стабильного модуля упругости Е = (1,587-Ч,592)хЮ5 МПа, что
находится в пределах проектных допусков. Принималось во внимание, что
усилие в канате от нормативных нагрузок не превышает NH = 4800 кН, что
сопоставимо с верхним пределом циклической нагрузки.
149

3672 .	8760
ЗАПАД
а)
ВОСТОК
б)	1-1	2-2
Рис. 3.8. Висячая вантовая система:
а — план; б — разрезы 1-1, 2-2
150

Основные канаты выполнены длиной 130,05 м для коротких сторон (4 пгг.)
и 166,64 м для длинных сторон (4 нгг.). Концы канатов заделаны в цилиндри¬
ческие анкера 0425 мм и длиной 970 мм с наружной резьбой, на которую
навинчивается гайка диаметром 595 мм и высотой 208 мм. Натяжение кана¬
тов в проектное положение производилось домкратами. Изменением поло¬
жения гайки, упирающейся во фланец оголовника, регулировалась длина
каната в пределах ±350 мм на каждом из его концов. Пролеты вант — по
коротким сторонам 124,6 м, а по длинным — 157 м. Соответствующие стре¬
лы провиса 9,4 и 19,7 м, что составляет 1/13 и 1/8 пролета, подобраны таким
образом, чтобы при основных сочетаниях нагрузок в вантах возникали бы
примерно равные усилия. Ванты по короткой стороне сооружения располо¬
жены в вертикальной плоскости, а по длинной — в плоскости, отклоненной
от вертикали на 27,9°, за счет соответственно подобранных длин подвесок.
Подвески выполнены из канатов диаметром 50 мм с минимальным раз¬
рывным усилием 2470 кН. Канаты предварительно вытягивались цикличе¬
ской нагрузкой от 10 до 50 % разрывного усилия. Подвески (62 шт.) имеют
в сборе длину от 6,275 до 20,765 м. Наиболее короткие подвески, две дли¬
ной 1,48 м и четыре длиной 2,81 м, выполнены из круглой стали с пределом
текучести 680 МПа. Диаметр стержней 80 мм. По концам подвесок уста¬
новлены вилкообразные анкера с регулирующим длину (±50 мм) устройст¬
вом с одной из сторон. Подвески крепятся к основным вантам с использова¬
нием сжимов. Наклонные подвески, расходящиеся от сжимов (рис. 3.8, б),
расположены в вертикальной плоскости проходящей через ось радиальных
элементов козырька. По длинным и коротким сторонам покрытия подвески
установлены через одну радиальную балку, а в угловых зонах через две.
Это позволило уменьшить количество подвесок и узлов их сопряжения.
В вантовой системе использовано 34 сжима 17 типов, отличающихся
углами расположения вертикальной фасонки и положением отверстий для
крепления подвесок. В сжимах и прижимных накладках продольные жело¬
ба для тросов (0140 мм) выполнены криволинейными со скруглениями у
торцов (в месте выхода каната) для уменьшения изгибных напряжений в
канате. Прижимные накладки крепились к сжиму тремя парами болтов
М36 с контролируемым натяжением 330 кН, что совместно с разницей
диаметров желоба и каната исключало его проскальзывание в сжимах.
§ 3.3. Научно-техническое сопровождение проектирования
покрытия
Конструктивное решение покрытия над трибунами, учитывающее уни¬
кальность сооружения, высокие архитектурные требования, оптимальное
использование прочностных свойств применяемых материалов, индустрии-
альность изготовления и технологичность монтажа конструкций, обосно¬
вано комплексными исследованиями, включающими:
-разработку вариантов проектных решений и выбор наиболее рацио¬
нального, обеспечивающего прочность, устойчивость и надежность
151

конструкций на основе анализа напряженно-деформированного состоя¬
ния покрытия с учетом особенностей работы системы на стадии ее мон¬
тажа и эксплуатации (моделирование этапов монтажа, учет всевозмож¬
ных сочетаний нагрузок и воздействий, архитектурно-планировочные
требования и т. п.);
-	разработку рекомендаций по величинам и схемам распределения снего¬
вых и ветровых нагрузок на покрытие (с учетом результатов исследова¬
ния модели сооружения в аэродинамической трубе), гололедных нагру¬
зок, температурных воздействий, сочетаний нагрузок и т. п.;
-	разработку и обоснование методики расчета и расчетных схем;
-	проведение многовариантных численных оптимизационных расчетов;
-	оценку динамических воздействий ветровой нагрузки и рекомендации
по их учету и регулированию.
3.3.1.	Нагрузки и воздействия
Аэродинамические испытания модели покрытия над трибунами
[3.11]. Стадион имеет сложную форму, для которой в нормативных доку¬
ментах отсутствуют данные об аэродинамических коэффициентах и рас¬
пределении снеговых нагрузок. В связи с этим в институте механики МГУ
им. Ломоносова проведены исследования модели сооружения в аэродина¬
мической трубе, которая имеет замкнутый контур и открытую рабочую
часть эллиптического сечения с размерами осей 2,34 и 4,0 м. Длина рабочей
части трубы — 4 м; максимальная скорость потока достигает 45 м/с. Отме¬
тим, что если экспериментальное определение распределения ветровых
нагрузок достаточно часто используется в практике проектирования, то
модельные исследования и прогнозирование снеговых нагрузок на покры¬
тии сложной формы открывают новые возможности при проектировании
подобных сооружений.
Модель стадиона изготовлена в масштабе 1:200 (рис. 3.9). Покрытие
дренировано в 76 точках, датчики давления были установлены с учетом
симметрии на половине модели навеса в 16 сечениях. Дополнительно
шесть датчиков (по три с каж¬
дой стороны) были размещены
на внешнем навесе. Угол а
набегающего потока изменял¬
ся с шагом, равным 15°.
Суммарные аэродинамиче¬
ские коэффициенты давления
ср в каждой точке покрытия
определялись как разность
коэффициентов внешнего се и
внутреннего давлений. На¬
правления воздействий, соот¬
ветствующие положительным
значениям коэффициентов ср,
Рис. 3.9. Общий вид модели стадиона в аэро¬
динамической трубе
152

показаны на рис. ЗЛО. Некоторые ре¬
зультаты модельных испытаний по
распределению аэродинамических ко¬
эффициентов давления ср показаны на
рис. 3.11, а, б, в. В табл. 3.1 приведены
максимальные и минимальные значе¬
ния коэффициентов ср. Эти данные
были рекомендованы как расчетные
при проектировании несущих конст¬
рукций стадиона.
Рис. ЗЛО. Направления воздействий
ветровых нагрузок
Таблица 3.1
Максимальные и минимальные значения аэродинамических
коэффициентов ср покрытия
а°
Cmin
Стах
а°
Cmin
Стах
0
-1,20
0,23
60
-2,39
0,38
15
-1,73
0,46
75
-1,93
0,44
30
-2,02
0,33
90
-1.41
0,40
45
-2,70
0,22
153

Специальные исследования были
проведены для вариантов модели, у
которых изменялся угол р между наве¬
сом и набегающим потоком (рис. 3.12)
для оценки вероятности возбуждения
аэродинамически неустойчивых коле¬
баний. Эти же результаты позволили
оценить ветровую нагрузку на стадии
монтажа сооружения.
Наряду с продувкой сооружения в аэродинамической трубе были вы¬
полнены численные исследования обтекания потоком воздуха стадиона
«Локомотив» [3.9]. Основной целью работы являлась оценка нестационар¬
ных нагрузок, действующих на покрытие трибун стадиона. Кроме того,
проведенные исследования позволили получить общие закономерности
обтекания сооружения, которые были использованы для понимания вопро¬
сов вентиляции внутренних объемов стадиона.
Снеговые нагрузки на покрытие над трибунами [3.13]. Норматив¬
ное значение снеговой нагрузки было рекомендовано принять в соответ¬
ствии со СНиП 2.01.07-85* (издание 1996 г.) равным 1,0 кПа (100 кгс/м2),
а коэффициент надежности по снеговой нагрузке у/= 1,6. Были проанали¬
зированы результаты многолетних (от девятнадцати до тридцати четырех
лет) измерений максимальных величин веса снегового покрова на пяти
метеостанциях (в ближайших к Москве окрестностях) на участках земли,
защищенных от прямого воздействия ветра. Использованы также резуль¬
таты работ ЦНИИСК им. Кучеренко по районированию расчетных значе¬
ний веса снега для новой редакции СНиП 2.01.07-85*, установившие це¬
лесообразность повышения расчетных значений веса снегового покрова
для Московского региона до 1,8 кПа (180 кгс/м2), превышаемого один раз
в 25 лет. Для обеспечения повышенной надежности конструкций было
рекомендовано учесть в расчетах коэффициент надежности по ответст¬
венности уп= 1,2, т. е. принять в качестве расчетного значения снеговую
нагрузку 1,6х 1,2 = 1,92 кПа (192 кгс/м2). Отметим, что такая нагрузка со¬
ответствует количеству снега, выпадающего в районе Москвы один раз в
100 лет, с учетом 15 % сноса с покрытий малых уклонов (фактический
снос составляет 3(Н40 %).
Так как поперечное сечение покрытия над трибунами имеет небольшие
уклоны, в качестве симметрично распределенной снеговой нагрузки реко¬
мендовано принять значение коэффициента pi = 1,0 (рис. 3.13, схема I). Это
значение коэффициента pi определяет нагрузку в условиях малых скоро¬
стей ветра с минимальным сносом снега с покрытия. Моделирование пере¬
носа снега в аэродинамической трубе выявило наиболее неблагоприятные
условия «снегоотложений» (рис. 3.14).
Ориентация модели по отношению к направлениям «ветра» выбиралась
с учетом наиболее вероятных ветровых потоков в зимнее время. С учетом
Рис. 3.12. Изменение угла наклона
покрытия Р
154

вышеуказанного было проанализировано возможное перемещение «снега»
при потоках воздуха по трем направлениям. При направлении потока вдоль
продольной оси стадиона (рис. 3.13, схема И) сложилась типичная несим¬
метричная схема загружения покрытия, при которой на наветренной сторо¬
не «снега» мало, а на заветренной — он остался в значительном объеме.
Вторая продувка проведена поперек продольной оси покрытия (рис. 3.13,
схема III), а третья — под углом 45° (рис. 3.13, схема IV).
Схема I	Схема II
Рис. 3.13. Схемы распределения снеговых нагрузок
Рис. 3.14. Продувка вдоль продольной оси стадиона: «ветер» — слева
155

Во всех продувках выявлено неравномерное отложение «снега» по ши¬
рине покрытия. Схемы загружения и коэффициенты р для поперечного
профиля покрытия приведены на рис. 3.15. При направлении потока возду¬
ха поперек стадиона и особенно под углом 45° к продольной оси сносимый
с покрытия над трибунами «снег» откладывался на выступающих частях
козырька над проходной галереей. Поэтому в расчетах этих конструкций
была предусмотрена повышенная снеговая нагрузка (рис. 3.16). Отметим,
что собственный вес несущих и ограждающих конструкций козырька ока¬
зался меньше снеговой нагрузки примерно в два раза.
Из =1Д
2
Рис. 3.15. Поперечный профиль и коэффициенты р для снеговых
нагрузок на козырек над трибунами
156
Рис. 3.16. Поперечный профиль и коэффициенты р для снеговых нагру¬
зок на козырек над проходной галереей (ех = 3 м, е2 — вылет козырька)

Покрытие над трибунами имеет уклон порядка 10 градусов во внешнюю
сторону и гладкую поверхность с низким коэффициентом трения (менее
0,02) в паре снег—светопрозрачное покрытие, при оттепелях этот коэффи¬
циент снижается до нуля. Сползание снега с покрытия (обратный скат име¬
ет малую длину, равную 5,5 м) может создать угрозу для находящихся
вблизи стадиона людей. В связи с этим было рекомендовано устройство
низкопрофильного барьера в ендове покрытия высотой порядка 0,3 м, с
устройством просвета 7-40 см между барьером и кровлей. Сдвигающая
сила Fs на 1 п. м барьера определялась по данным Eurocode, часть 2.3 «Сне¬
говые нагрузки» по формуле Fs = Sbsinak9 где: S — снеговая нагрузка на
покрытие; b — расстояние (в плане) от края покрытия до ендовы, за ис¬
ключением длины участка с обратным уклоном; а — угол уклона покрытия
в градусах; к = 0,7 — коэффициент, учитывающий таяние снега.
Fs = 1,92 (27,5 - 5,5) 0,15-0,7 = 4,5 кН/п. м.
Гололедные нагрузки. На элементах висячей системы предусматрива¬
лась возможность образования гололедных отложений и падения на кров¬
лю кусков льда. В соответствии со СНиП 2.01.07-85* для г. Москвы при
периметре каната порядка 50 см возможный вес одного отваливающегося
«куска» гололедных отложений составил 31,5 кг. Учитывая приближен¬
ность указанных выше оценок, было рекомендовано провести натурные
наблюдения в период первых лет эксплуатации стадиона с выполнением
дополнительных страховочных мероприятий в случае их необходимости.
Температурные климатические воздействия. Неблагоприятная
температура конструкций козырька определялась в соответствии с требо¬
ваниями СНиП 2.01.07-85*. Возможная экстремальная температура конст¬
рукций козырька составила: в зимнее время -34 °С; в летнее время +64 °С.
Диапазон изменений температуры (при неизвестной температуре замыка¬
ния): понижение температуры от +64 °С до -4°С (-68 °С); а повышение от
-34 °С до +14 °С (+48 °С).
3.3.2.	Статическая схема работы комбинированной
пространственной конструкции козырька над трибунами
Вся временная нагрузка на конструкцию передается через светопро¬
зрачные панели покрытия на кольцевые прогоны. Кольцевые прогоны,
жестко сопряженные с радиальными фермами, работают на изгиб, как мно¬
гопролетные неразрезные балки на упруго проседающих опорах. Кроме
того, кольцевые прогоны включаются в пространственную работу стержне¬
вой системы покрытия. В связи с этим в них возникают дополнительные
изгибающие моменты в двух плоскостях от неравномерных перемещений
смежных радиальных ферм и продольные усилия, как в кольцевых ребрах
купольной системы. Продольные усилия в прогонах меняют знак — от рас¬
тяжения в наружных к сжатию во внутренних кольцах.
Радиальные элементы работают, как однопролетная балка с двумя кон¬
солями. Они опираются одним концом на железобетонные конструкции
157

трибун, а другим на кольцевую коробчатую балку. Для восприятия изги¬
бающих моментов от нагрузки, передающейся от прогонов, пролетная
часть балки подкреплена шпренгелем. В верхнем поясе радиальных эле¬
ментов, к которым крепятся вантовые подвески, возникают дополнитель¬
ное сжатие от подвесок и изгиб от эксцентричного их крепления. Дополни¬
тельные усилия в радиальных шпренгельных фермах возникают и от их
участия в работе пространственной стержневой купольной системы. Таким
образом, верхний пояс шпренгельных ферм работает на сжатие и изгиб в
двух плоскостях. Элементы решетки шпренгельных ферм испытывают как
сжимающие, так и растягивающие продольные усилия. Их устойчивость из
плоскости ферм обеспечивается системой кольцевых тяжей и соответст¬
вующих вертикальных связей.
Наиболее нагруженным элементом пространственной стержневой
конструкции покрытия является кольцевая коробчатая балка. В верти¬
кальной плоскости она работает на изгиб, как неразрезная балка на упру¬
гоподатливых опорах, в местах сопряжения с подвесками вантовой сис¬
темы. Кроме того, в ней, как во внутреннем кольце купола, возникает
сжатие. Форма кольца в виде сплюснутого депланированного овала явля¬
ется причиной возникновения в кольцевой балке горизонтальных изги¬
бающих моментов и кручения, даже при равномерном нагружении по¬
крытия. Неравномерные вертикальные перемещения кольцевой балки
вызывают в ней дополнительные изгибающие моменты. С целью их
уменьшения в процессе монтажа был предусмотрен обратный строитель¬
ный подъем кольцевой балки.
В пространственную работу системы включаются также диагональные
связи, расположенные в плоскости покрытия, в основном в угловых зонах.
Общая устойчивость пространственной системы покрытия обеспечивается
треугольной решеткой связей, расположенных по периметру конструкции
между наклонными железобетонными консольными стойками каркаса три¬
бун, на которые опирается козырек. Ветровой отсос воспринимается про¬
странственной работой покрытия с учетом его собственного веса.
Элементы вантовой системы работают на растяжение. При определении
расчетного сопротивления стальных канатов принимались: коэффициент
надежности ут= 1,6, коэффициент условия работы ус = 0,8 и дополнитель¬
ный коэффициент условия работы ус\ = 0,95, учитывающий закрепление
каната в концевых анкерах заливкой конической полости сплавом цветных
металлов. Кроме того, учитывалась продольная и поперечная ползучесть
канатов. Коэффициент условия работы каната в местах его перегиба в сжи¬
мах принимался равным ус2 = 1 — желоб в сжимах выполнен криволиней¬
ным по круговой кривой радиусом более R > 4 м (выполнено условие R >
26ds, где ds= 140 мм — диаметр троса).
При проектировании точно рассчитывалась геометрия всех элементов
вантовой системы с последующей их корректировкой по результатам на¬
турной геодезической съемки фактических отклонений узловых точек от
проекта. В ряде подвесок было принято дополнительное предварительное
158

натяжение (за счет соответствующего уменьшения их расчетных длин),
обеспечивающее их динамическую устойчивость при ветровых воздейст¬
виях. Усилия в основных тросах воспринимаются угловыми пилонами, ра¬
ботающими на сжатие с изгибом в двух плоскостях, и растянутыми оттяж¬
ками от пилонов.
Существенное влияние на работу элементов системы (в ряде случаев
вплоть до изменения знака усилий) оказывают неравномерные схемы за-
гружения козырька и температурные воздействия. Так как стальные конст¬
рукции козырька оперты на железобетонный каркас трибун, то его переме¬
щения (различные варианты загружения, температурные воздействия, осадка
фундаментов и т. д.) также влияют на напряженно-деформированное со¬
стояние металлической комбинированной конструкции покрытия. Для час¬
тичного уменьшения этих перемещений, консольные стойки каркаса три¬
бун, на которые опирается стальной козырек, приняты наклонными внутрь
сооружения. В этом случае горизонтальные перемещения от распора ко¬
зырька компенсируются перемещениями от вертикальных нагрузок.
3.3.3.Численные исследования работы конструкций покрытия [3.4]
Геометрические и жесткостные параметры висячей системы оптимизи¬
ровались на основе многовариантных численных исследований. При этом
ставилась задача минимизировать горизонтальные и вертикальные пере¬
мещения конструкции для уменьшения изгибающих моментов в элементах
козырька (в первую очередь в кольцевой балке) и продольных усилий в
связях. В расчетах варьировались различные параметры и исследовалось их
влияние на работу конструкции покрытия: жесткость пилона и оттяжек и
их наклон; стрела провиса вант по короткой и длинной сторонам покрытия;
варианты отклонения плоскости вант от вертикали; схемы расположения
подвесок от вант к консольным балкам; форма поверхности консольного
навеса; конструкция сопряжения консольных балок с периметральными
стойками (рамный или шарнирные узлы) и т. д.
Исследования показали необходимость отклонения от вертикали плос¬
кости вант, расположенных вдоль длинной стороны покрытия. В против¬
ном случае эти ванты (и соответственно конструкции козырька) имели зна¬
чительные вертикальные и горизонтальные перемещения. Оптимальные их
значения оказались при отклонении плоскости длинных вант от вертикали
на угол 27,9°. Увеличение этого угла ограничивалось взаиморасположени¬
ем центра провисающих вант и оси кольцевой коробчатой балки. Это огра¬
ничение определялось длиной центральных подвесок (по конструктивным
соображениям они не могли быть меньше 1,5 м) и углами наклона подвесок,
которые не могли превышать 90°. Кроме того, касательная к очертанию
указанных вант в плане совпадает с линией, определяющей расположение в
плане одной из оттяжек пилона. Вторая оттяжка от пилона располагается в
плоскости провисания коротких вант. При указанной компоновке распоры
с вант максимально воспринимаются оттяжками от пилонов, не вызывая в
них дополнительные усилия.
159

С целью минимизации перемещений системы варьировалась форма про¬
висания вант, которая принималась в виде полинома (многочлена) разной
степени — от кубической и ниже. Оптимальные значения получились при
очертании коротких вант заданных полиномом в степени 1,5, а длинных
вант — в степени 1,8. Проектное очертание вант, отличающееся от естест¬
венной цепной линии провиса тросов под собственным весом, достигалось
подбором длин подвесок, определяющих положение тросов в пространстве.
В качестве основного метода расчета принят МКЭ. Расчеты выполня¬
лись в упругой стадии с учетом геометрической нелинейности. Конструк¬
ция рассматривалась как единая пространственная система, включающая
все элементы покрытия над трибунами, висячую вантовую систему, угло¬
вые пилоны с оттяжками, элементы, моделирующие работу каркаса трибун,
на которые опирается козырек. В узлах сопряжения стержней использова¬
лись конечные элементы, позволяющие учесть (в случае необходимости)
фактические эксцентриситеты.
Основным расчетам предшествовали численные исследования работы
системы при варьировании расчетной схемы, жесткостных и геометриче¬
ских характеристик несущих элементов. Для выявления наиболее рацио¬
нального распределения усилий с целью обеспечения равнопрочности эле¬
ментов конструкции, повышения ее несущей способности и устойчивости,
минимизации расхода металла было проанализировано более 40 вариантов
расчетных схем. На этой же стадии выполнены исследования по сходимо¬
сти результатов нелинейного расчета и оценке их погрешности. Надеж¬
ность расчетов обеспечивалась также тщательным контролем и анализом
как исходной информации, так и получаемых результатов.
Основной поверочный расчет выполнялся на 10 вариантах сочетания
нагрузок, включающих собственный вес несущих и ограждающих конст¬
рукций, технологическую нагрузку, снег (4 схемы), ветер (3 схемы) и тем¬
пературные воздействия (2 варианта). Кроме того, были выполнены расче¬
ты, моделирующие процесс натяжения основных канатов и раскружалива-
ния покрытия. Для этого в основную расчетную схему дополнительно
включались односторонние связи, аппроксимирующие временные монтаж¬
ные опоры. Во всех расчетах учитывался коэффициент надежности по от¬
ветственности сооружения уп = 1,2.
Проверка сечений по прочности и устойчивости показала, что при при¬
нятых сечениях максимальные расчетные напряжения не превышают: 180
МПа (1800 кг/см2) при допускаемых напряжениях Ry = 230 МПа (2300
кг/см2) для стали С20; 280 МПа (2800 кг/см2) при допускаемых расчетных
напряжениях Ry = 300-^330 МПа (3000^-3300 кг/см2) для стали С345 в зави¬
симости от толщины проката, 300 МПа (3000 кг/см2) при допускаемых на¬
пряжениях Ry = 385 МПа (3850 кг/см2) для стали С390.
Анализ результатов расчетов по перемещениям показал следующее.
Максимальные вертикальные перемещения внутреннего кольца от полной
расчетной нагрузки с учетом коэффициента по ответственности сооруже¬
ния составили: w= 85-430 см. В соответствии с п. 10.4 СНиП 2.01.07-85*
160

«Нагрузки и воздействия» прогибы наклонных козырьков нормами не ог¬
раничиваются. В то же время в соответствии с поз. 2 табл. 19 СНиП
2.01.07-85* для ригелей покрытий при вылете консоли 27,5 м вертикальные
предельные прогибы не должны превышать fu < //250, где / — удвоенный
вылет консоли. Для определения вертикальных прогибов учитывались
только временные длительные нагрузки с коэффициентом надежности по
нагрузке у/= 1 (постоянная нагрузка исключалась за счет строительного
подъема наклонного козырька). Это требование СНиП по второй группе
предельных состояний для козырька выполняется.
Поверочный расчет по комплексной расчетной схеме [3.1] выпол¬
нен сотрудниками ООО «ЕВРОСОФТ» и ОАО «ЦНИИпроект» по уточ¬
ненной пространственной расчетной схеме с учетом взаимодействия упру¬
гого основания, несущих конструкций трибун и покрытия.
Расчеты выполнялись на нагрузки от собственного веса конструкций,
предварительного натяжения вантовой системы, длительные нагрузки (по¬
лы, мостики и площадки на козырьке и т. д.), различные варианты полез¬
ных нагрузок (заполнение трибун и подтрибунных помещений), снеговые и
ветровые нагрузки, температурные воздействия. Все расчеты (в том числе и
определение динамических свойств системы) выполнялись с учетом гео¬
метрической нелинейности для заданных сочетаний воздействий. Расчет по
комплексной пространственной схеме позволил более полно учесть свойст¬
ва системы, уточнить некоторые конструктивные решения.
Анализ динамической работы навеса над трибунами и оттяжек
пилонов [3.14]. В гибкйх элементах висячей системы покрытия (тросах и
оттяжках пилонов) при определенных ситуациях могут возникать резо¬
нансные и неустойчивые колебания. Условия появления таких колебаний
зависят от демпфирующих свойств сооружения, его собственных частот и
форм, которые определялись численно по нелинейной расчетной схеме с
учетом различных сочетаний статических нагрузок.
Рассматривались следующие типы интенсивных и аэродинамических
неустойчивых колебаний: резонансное вихревое возбуждение навеса при
действии гармонической нагрузки, обусловленное срывом вихрей с ограж¬
дающих конструкций козырька; аэродинамические неустойчивые колеба¬
ния типа галопирования (дивергенции); колебания, связанные с внутрен¬
ним резонансным взаимодействием отдельных конструктивных элементов
вантовой системы; резонансное вихревое возбуждение основных вант на
высших собственных частотах; резонансное вихревое возбуждение и гало¬
пирование оттяжек пилона.
Анализ динамической работы основных конструктивных элементов
проводился в два этапа. Результаты, полученные на первом этапе, показали,
что вторые от пилона подвески имеют достаточно низкие собственные час¬
тоты (порядка 1,3 Гц), заметно отличающиеся от частот остальных подве¬
сок. В этом случае нельзя было исключить возможность их интенсивных
колебаний, связанных с действием пульсационной составляющей расчет¬
ной ветровой нагрузки. В связи с этим было рекомендовано увеличить
11 Заказ 1067
161

предварительное натяжение этих элементов для повышения их собствен¬
ных частот и, соответственно, понижения расчетной амплитуды колебаний.
Ниже приведен анализ динамической работы рассматриваемого соору¬
жения с использованием результатов поверочного расчета покрытия [3.1] и
расчета обтекания стадиона потоком воздуха [3.9]. Основные собственные
частоты вант, подвесок, оттяжек пилона и самого пилона приведены в
табл. 3.2. Выявлено, что резонансное вихревое возбуждение навеса, обу¬
словленное срывом вихрей с ограждающих конструкций козырька, невоз¬
можно при реальных скоростях ветра. Критические скорости ветра, при
которых происходит резонансное вихревое возбуждение на основных соб¬
ственных частотах, для вант диаметром 140 мм не превышают (1-2) м/с, а
для подвесок диаметром 50 мм — (1,5-2) м/с. Это воздействие не вызывает
заметных усилий и перемещений как в самих тросах, так и в основных не¬
сущих элементах сооружения.
Таблица 3.2
Основные собственные частоты конструктивных элементов
Элемент
Частота, Гц
Основные ванты с учетом покрытия
0,49
Подвески
7-9
Оттяжки пилона
1.3
Пилон
2,5
Аэродинамические неустойчивые колебания типа галопирования возни¬
кают в случае, если скорость ветра превышает некоторое критическое его
значение. Возбуждение подобных колебаний козырька может быть связано
с небольшими изменениями угла его наклона, при колебаниях, обуслов¬
ленных действием пульсации ветровой нагрузки. С учетом данных модель¬
ных аэродинамических испытаний [3.11] показано, что появление подоб¬
ных колебаний козырька невозможно.
При учете пульсационной составляющей ветровой нагрузки в сжимах,
объединяющих основные тросы с подвесками, возникают переменные на¬
пряжения. Амплитуда этих напряжений, зависящая от величины и направ¬
ления средней скорости ветра, изменяется в процессе эксплуатации соору¬
жения. Минимальная амплитуда напряжений, вызывающая усталостные
повреждения сжимов, не превышает 5 МПа (50 кг/см2), с учетом требова¬
ния СНиП П-23-81* и результатов расчета вантовой системы. Эти динами¬
ческие напряжения достигаются при скоростях ветра, близких к расчетным
для метеоусловий г. Москвы. Период их повторения 25-30 лет. При сроке
эксплуатации сооружения 100 лет общее число циклов нагружения не пре¬
вышает 4*104, что меньше предельного числа циклов, равного 105, регла¬
ментируемого СНиП И-23-81* для проведения проверки усталостной проч¬
ности стальных элементов.
162

§ 3.4. Изготовление и монтаж конструкций
3.4.1. Изготовление несущих металлоконструкций
на Белгородском ЗМК [3.7]
Общий объем металлоконструкций по чертежам КМ составил более
2500 тонн. В номенклатуру входили: подвесной козырек над трибунами,
ходовые мостики, металлические оголовники железобетонных пилонов,
большое количество метизов. Материал конструкций — листовая легиро¬
ванная сталь 09Г2С, 10ХСНД и трубы из Ст20. При изготовлении были
обеспечены повышенные требования к используемым материалам, техно¬
логии изготовления, контролю качества, защите от коррозии, которые спе¬
циально разрабатывались в ЦНИИСК им. Кучеренко. Чертежи КМ посту¬
пили на завод в августе, а первые чертежи КМД были запущены в произ¬
водство конструкторско-технологическим отделом уже в сентябре 2000 г.
На стадии разработки чертежей КМД конструкторы ЗМК постоянно ра¬
ботали в контакте с авторами проекта. Наибольшую трудность вызвало
изготовление стальных оголовников пилонов, через которые проходят ван¬
ты и оттяжки, ориентированные в трех плоскостях с различными углами
подхода (рис. 3.17). Габариты оголовников и их конструкция с внутренни¬
ми ребрами не позволяли выполнить сварку и фрезеровку опорных плоско¬
стей и отверстий для пропуска вант. Совместно с авторами проекта было
принято новое конструктивное решение с наружными «фартуками». Для
проверки этого варианта был изготовлен макет оголовника в масштабе
1:10. Схему погрузки на железнодорожную платформу оголовников,
имеющих негабаритные размеры 5,6х3,68x2,95 м и вес 21 тонну, потребо¬
валось утверждать в Управлении Юго-Восточной железной дороги.
Рис. 3.17. Оголовник пилона в сборочно-сварочном цехе
11*
163

По мере поступления проката выполнялся входной контроль качества ис¬
пользуемой стали. Заводской лабораторией проводились испытания образцов
на растяжение по толщине металла. Для сборочно-сварочных операций была
разработана уникальная технология изготовления и сборки узлов и конструк¬
ции в целом. Изготовлена специальная оснастка в объеме 60 т: это кондукто¬
ры для сборки кольцевой балки трех типоразмеров, радиальных балок и ого-
ловников, приспособления для чистовой фрезеровки. Все коробчатые балки
внутреннего кольца (как и другие элементы пространственной конструкции)
проходили на заводе контрольную сборку (рис. 3.18). При общей длине
внутреннего кольца около 500 м на монтаже отверстия последней накладки
почти полностью совпали с отверстиями первого блока кольцевой балки.
Был разработан технологический процесс сварки конструкций, отрабо¬
таны режимы для всех примененных видов соединений. Все швы выполня¬
лись автоматической сваркой под слоем флюса и полуавтоматической
сваркой в смеси газов (75 % аргона и 25 % С02). К сварным швам предъяв¬
лялись повышенные требования при выполнении 100% ультразвукового
контроля. Для всех видов сварных соединений и толщин стального проката
заваривались контрольные образцы, которые проходили испытания в за¬
водской лаборатории на прочность, ударную вязкость, угол загиба. Инди¬
видуальный подход к сварке всех элементов свел к минимуму сварочные
деформации. Независимая лаборатория, привлеченная заказчиком, не обна¬
ружила в заводских швах ни одного дефекта.
Защита от коррозии производилась методом холодного цинкования,
цинксодержащим составом ЦВЭС, обеспечивающим срок службы конст¬
рукций не менее 25 лет. Последние конструкции были отправлены на мон¬
таж в ноябре 2001 года.
Рис. 3.18. Контрольная сборка кольцевой балки
164

3.4.2.	Вантовая система [3.10]
Экономические и технические преимущества комбинированных ванто¬
вых конструкций покрытий обусловлены использованием высокопрочных
канатов. Висячие покрытия определяют элегантный архитектурный облик
современных спортивных сооружений. В качестве изготовителя канатов бы¬
ла выбрана фирма «Брайдон Интернешнл Лтд.» (Великобритания, г. Донкас¬
тер). При проектировании, производстве и поставке канатов, анкеров, сжи¬
мов и оборудования для натяжения фирма «Брайдон» работала совместно с
дочерней фирмой «БТС Дратзайле ГмбХ.» (Германия, г. Гельзенкирхен).
Несущие ванты изготовлены из закрытых спиральных канатов (рис. 3.19,
а, б) из оцинкованной проволоки. Этот тип канатов характеризуется сле¬
дующим: высокое разрывное усилие, модуль упругости, жесткость при рас¬
тяжении и кручении, сопротивление при поперечном давлении. Закрытые
канаты используются много лет в конструкциях мостов и стадионов. Одна¬
ко проектные требования для стадиона «Локомотив» диктовали необходи¬
мость применения нестандартных канатов. Основные канаты должны были
стать самыми большими и самыми прочными закрытыми канатами, когда-
либо использовавшимися в мире для висячих покрытий.
Рис. 3.19. Канаты:
а — основные; б — подвески
Закрытый канат состоит из сердечника из круглых проволок и несколь¬
ких наружных слоев зетобразных проволок. Диаметры круглых и размеры
зетобразных проволок должны согласовываться с диаметрами слоев и угла¬
ми свивки в каждом слое. Конструкция основных канатов имеет следующие
технические характеристики: номинальный диаметр каната — 140 мм, до¬
пуск на диаметр — (0...+5 %), тип конструкции — FLCR-7, площадь попе¬
речного сечения — 13 602 мм2, расчетное разрывное усилие — 21 229 кН,
минимальное разрывное усилие — 18 700 кН, номинальный вес — 117,9
кг/м, модуль упругости — 160 000 Н/мм2.
Высокопрочная стальная проволока для канатов изготавливалась из неле¬
гированной высокоуглеродистой стали с временным сопротивлением разры¬
ву Run = 1570-4830 МПа и минимальным весом цинкового покрытия 300 г/м2.
Круглая проволока подвергалась химической очистке и покрытию, холодное
165

волочение до конечного диаметра производилось на многофильерных станах.
Этот процесс увеличивает прочность и механические свойства материала до
нужного уровня. Зетобразная проволока изготавливалась таким же способом
и подвергалась окончательной холодной прокатке до нужной формы. В целях
защиты от коррозии оба типа проволоки оцинковывались горячим способом.
При производстве каната круглая и зетобразная проволока перематыва¬
лась на бобины (рис. 3.20). Канат изготавливался послойно. Каждый слой
зетобразных проволок навивался в противоположных направлениях, чтобы
сбалансировать внутренние крутящие моменты. В процессе свивки канатов
на проволоку наносилась антикоррозионная смазка — компаунд, которая
одновременно уменьшает трение.
Рис. 3.20. Изготовление закрытого каната диаметром 140 мм
166

Так как возможность регулировать длину каната на строительной пло¬
щадке ограничена, отдельные ванты изготавливались с чрезвычайно малы¬
ми допусками. При измерении длины учитывались воздействия прилагае¬
мой нагрузки, ползучесть каната, вытяжка анкера и изменения температу¬
ры. Канаты предварительно вытягивались циклической нагрузкой для
придания им стабильных характеристик. При этом на канат наносилась
продольная ось, для исключения кручения каната при навеске, и попереч¬
ная маркировка, обеспечивающая проектное положение сжимов. Вытяжка
канатов производилась в г. Донкастер (Англия) на уникальном стане дли¬
ной 730 м, позволяющем прикладывать усилие до 5000 кН. При цикличе¬
ском нагружении каната строился график результатов замеров его вытяж¬
ки. Когда кривые нагрузка/удлинение для двух последовательных циклов
нагружения совпадали, канат считался предварительно вытянутым, а его
удлинение прямо пропорциональным прилагаемой нагрузке.
После вытяжки, пока канат находился на стане под нагрузкой, готовые
ванты маркировались для установки концевых заделок. Канат диаметром
140 мм был транспортирован обратно на завод «БТС Дратзайле ГмбХ» в
Германию для заделки анкеров. На канаты подвесок диаметром 50 мм были
установлены анкера на фирме «Брайдон» в Великобритании.
Концы каната закреплялись заливкой в конус анкера расплавленного
цинкового сплава (рис. 3.21) прочностью от 220 до 260 Н/мм2 и твердостью
по Бринеллю от 80 до 90. Оптимальная температура заливки 450 °С соблю¬
далась с допуском +10 °С. Чтобы конус анкера был полностью заполнен
без преждевременного затвердевания материала заливки, анкер предвари¬
тельно нагревался до 325 °С.
До выполнения концевой заделки конец каната расплетался, проволоки
формировались в «щетку» (рис. 3.22) и очищались от смазки. Затем «щетка»
протягивалась в анкер и центрировалась в нем с помощью специального за-
Рис. 3.21. Заливка цинкового сплава
в конус анкера
Рис. 3.22. Проволоки конца каната,
сформированные в «щетку»
167

жима. До заделки анкер и канат были взаимно выровнены, предотвращено
смещение проволок, вызванное перегибом каната. Несоблюдение этих усло¬
вий могло привести впоследствии к неравномерному нагружению проволок.
Усилия от конструкции передаются канатам с помощью специально
спроектированных концевых заделок, равнопрочных разрывному усилию
каната. Они разрабатывались и изготавливались таким образом, чтобы ис¬
ключить усталостные явления в вантовой системе. Концевые заделки изго¬
товлены из литой стали с модифицированными свойствами и оцинкованы
горячим способом минимальной толщиной 0,150 мм. Использовались два
основных типа концевых заделок. На каждом конце канатов 0 140 мм за¬
креплены цилиндрические анкера с внутренней и наружной резьбой. Этот
тип концевой заделки позволяет монтировать канат и натягивать его до
необходимого усилия. На подвесках диаметром 50 мм установлены вилко¬
образные анкера Stylite, на одном конце каната фиксированные, а на дру¬
гом — регулируемые по длине (до ±50 мм). Вилкообразный анкер присое¬
динялся к конструкции с помощью болта (ось шарнира). Анкер Stylite
обеспечивает требования по прочности, сопротивлению усталости и анти¬
коррозийным свойствам наряду с архитектурной привлекательностью.
Для передачи усилий от основных вант на подвески были спроектиро¬
ваны специальные сжимы, изготовленные из литой стали с горячим оцин-
кованием поверхности. В желобах толщина слоя цинка увеличивалась на¬
пылением до 1 мм.
Все изделия прошли испытания и сертифицированы в соответствии с
требованиями нормативных документов РФ по специально разработанным
программам с определением: уменьшения диаметра каната при различных
нагрузках, модуля упругости каната (рис. 3.23), относительных перемеще¬
ний проволок и конуса анкера, фактического разрывного усилия. Все испы¬
тания образцов канатов обоих диаметров удовлетворили требованиям
технических условий.
3.4.3.	Монтаж несущих конструкций [3.2]
Подряд на монтаж стальных конструкций покрытия над трибунами ста¬
диона «Локомотив» по результатам тендера получило 1-е МСМУ АО
«Стальмонтаж». Проект производства работ выполнен Днепропетровским
филиалом ЗАО НПФ «Укрспецмонтажпроект» (УСМП). При разработке
технологии монтажа конструкций учитывались уникальность сооружения,
сжатые сроки возведения, параллельное выполнение проектных и строи¬
тельных работ, реальные (иногда изменяющиеся) условия производства
работ (невозможность использования футбольного поля для нужд строи¬
тельства, наличие близкорасположенных зданий, одновременное выполне¬
ние общестроительных работ и т. п.). Монтаж покрытия над трибунами
осуществлялся после полной разборки существующих строений стадиона и
возведения на их месте железобетонных конструкций трибун по новому про¬
екту. Для того чтобы развести транспортные и монтажные потоки (с учетом
стесненности площадки), было организовано два потока монтажных работ.
168

Рис. 3.23. Испытания каната диаметром 140 мм на модуль упругости
По внутреннему периметру козырька были установлены временные опо¬
ры (28 шт.) — стальные башни с четырьмя стойками, объединенными свя¬
зями в пространственную систему. На верхнюю площадку временных опор
на отметке 32,00 м устанавливались элементы (28 шт.) коробчатых балок
(рядовые элементы имели массу до 21,6 т и длину до 17 м). Монтаж выпол¬
нялся двумя гусеничными кранами СКГ-631 с БСО, установленными внут¬
ри стадиона между футбольным полем и рвом безопасности. Особую слож¬
ность представлял собой монтаж угловых укрупненных секций весом 32 т,
которые монтировались краном KRUPP-350 и краном СКГ-631 (рис. 3.24).
Коробчатые балки последовательно объединялись друг с другом деся¬
тью двойными накладками на высокопрочных болтах — 216 штук на узел
(рис. 3.25). Большое количество накладок и болтов практически исключало
возможность рихтовки монтируемой секции относительно выставленной.
Монтаж производился при максимальной для лета температуре, которая в
конце дня на металлических конструкциях достигала +70 °С. В двух местах
по диагонали кольцевой балки были оставлены замыкающие стыки, позво¬
ляющие скомпенсировать возможные погрешности изготовления и монта¬
жа. Для этого рассверловка отверстий в накладках выполнялась по размет¬
кам в примыкающих к стыку элементах. Зазор между секциями в одном из
замыкающих стыков был проектным, а во втором отличался от проектного
на 30 мм при общей длине кольца 449 м. Первые элементы кольцевой бал¬
ки козырька были смонтированы в начале апреля 2001 г. В начале июля
монтаж кольца был завершен.
169

170
Рис. 3.25. Объединение коробчатых балок двойными
накладками на высокопрочных болтах

Одновременно с установкой элементов кольцевых балок монтировались
укрупненные радиальные шпренгельные фермы, а затем кольцевые прого¬
ны (рис. 3.26). Монтаж начинался со связевого блока, для обеспечения про¬
странственной жесткости и устойчивости системы. Параллельно монтиро¬
вались связи в плоскости покрытия, тяжи по нижним поясам шпренгельных
ферм, выполнялись сварные монтажные швы в узлах пространственного
стержневого покрытия. Укрупнительная сборка на стендах и монтаж ради¬
альных шпренгельных балок (Gmax= 10,5 т), прогонов и связей навеса вы¬
полнялись пятью башенными кранами КБ-674А (2 шт.) и КБ-503А (3 шт.),
установленными снаружи стадиона.
Рис. 3.26. Монтаж укрупненных радиальных шпренгельных ферм и кольцевых
прогонов
К 27 июля 2001 г. монтаж металлоконструкций был закончен. В начале
августа вся внутренняя часть стадиона была освобождена от механизмов и
монтажных кранов для завершения устройства газона футбольного поля. На
железобетонные пилоны на отметке 43,6 м устанавливались стальные ого-
ловники массой около 21 т с приспособлениями для крепления оттяжек и
основных канатов 0140 мм (рис. 3.27). Замеры фактических расстояний в
плане между центрами оголовников показали их отличие от проектных не
более чем на 6 мм. Столь малые отклонения при значительных расстояниях
между пилонами (124,6 * 156,9 м), их высоте 50 м и объеме бетона в каждом
пилоне 1700 м3 были достигнуты за счет корректировки положения опалубки
на каждом из этапов бетонирования пилонов участками высотой по 3 м.
171

Рис. 3.27. Этапы монтажа стальных оголовников
172

Для монтажа стальных оттяжек от пилонов (рис. 3.28), состоящих из че¬
тырех звеньев массой до 14 т каждое, использовались монтажные площад¬
ки, установленные на уровне двух верхних шарниров цепи. Цилиндриче¬
ские шарниры плотной посадки диаметром 190 мм устанавливались на
монтаже с использованием домкрата и оправок для совмещения отверстий
в соединяемых элементах оттяжек. Технологическая последовательность и
специальные опорные конструкции для монтажа и выверки по расчетной
геометрии многозвенных оттяжек общей массой более 40 т каждая позво¬
лили включить оттяжки в работу в процессе «раскружаливания» покрытия
над трибунами. Эти работы согласовывались во времени с поэтапным за-
моноличиванием анкерных частей оттяжек.
Рис. 3.28. Монтаж стальных оттяжек от пилонов
В сентябре 2001 г., по окончанию бетонирования пилонов, был начат
второй наиболее сложный и ответственный этап монтажа — основных тро¬
сов и подвесок несущей вантовой системы. Применение впервые в нашей
стране канатов 0140 мм длиной более 165 м потребовало отработки специ¬
альных технологических приемов, начиная с транспортировки барабанов с
тросом до разматывания, затягивания и закрепления его на оголовках пи¬
лонов. Работа, которая, по мнению специалистов фирмы «Bridon», должна
была занять полгода, была выполнена менее чем за два месяца. При этом
выполнение уникальных монтажных работ необходимо было увязывать и
173

на земле, устанавливались в спе¬
циальные опоры для разматыва¬
ния каната и подавались краном
фирмы KRUPP (0 = 350 т) на
специальную площадку, смон¬
тированную на отметке - 30 м
на козырьке возле пилонов
(рис. 3.29). Часть канатов раз¬
матывалась с барабана, уста¬
новленного на земле, с исполь¬
зованием в качестве отводного
блока на покрытии барабана,
освобожденного от каната. Ка¬
наты при разматывании с бара¬
бана укладывались в подкреп¬
ленные шпренгелями специаль¬
ные лотки, смонтированные на
конструкциях козырька. Лотки
криволинейного очертания за¬
давали тросам проектное положение с учетом отклонения части из них от
вертикальной плоскости (рис. 3.30).
Рис. 3.29. Барабаны с канатами на специаль¬
ных опорах
чередовать по времени с рабо¬
тами смежных строительных
организаций.
Барабаны диаметром 4,0 м
общей массой 25 т кантовались
Рис. 3.30. Специальные лотки для разматывания каната с барабана
174

Тросы 0140 мм и концевой анкер с помощью оснастки, башенного кра¬
на и лебедок вытягивались и заводились в оголовники пилонов на отметке
54 м (рис. 3.31). После чего на анкерное устройство навинчивалась упорная
гайка (рис. 3.32). Это была сложнейшая такелажная операция с координа¬
цией согласованной работы различных механизмов. В отдельные моменты
одновременно были задействованы три лебедки (тормозная, направляющая и
Рис. 3.31. Установка концевого анкера троса 0140 мм в оголовник пилона
Рис. 3.32. Упорная гайка на анкерном устройстве
175

тянущая лебедка полиспаста) и два башенных крана. После установки сжи¬
мов, объединяющих два несущих троса, на отметке 4(Н50 м со специальных
навесных люлек монтировались подвески из тросов 050 мм (рис. 3.33).
Рис. 3.33. Установка сжимов и подвесок из тросов 0 50 мм
176

Длины подвесок корректировались с учетом данных натурной геодезиче¬
ской съемки проушин для установки вилочных анкеров (рис. 3.34) и темпе¬
ратуры окружающей среды.
Рис. 3.34. Вилочный анкер
Вантовая система занимала проектное положение за счет натяжения ос¬
новных канатов (рис. 3.35) с использованием синхронно работающих гид¬
равлических домкратов. Натяжение производилось поэтапно (8 шагов) по
четырем сторонам покрытия с ходом домкрата на каждом этапе 30+80 мм.
При этом уменьшалась стрела провиса канатов, натягивались подвески и
покрытие отрывалось от временных опор. Система натяжения, спроектиро¬
ванная и поставленная фирмой «Брайдон», состояла из 16 домкратов (по
одному на каждый концевой анкер основных вант) грузоподъемностью
6000 кН (600 т), установленных на оголовниках пилонов. Система управле¬
ния позволяла прикладывать усилие независимо к каждому концевому ан¬
керу или одновременно натягивать несколько концевых анкеров. Внешняя
защита каната от коррозии была обеспечена нанесением дополнительного
покрытия «Металкоут».
21+22 ноября 2001 г. состоялся финал основного этапа работы — покры¬
тие над трибунами стадиона было поднято вантовой системой над времен¬
ными опорами. После чего в декабре 2001 г. выполнен демонтаж конструк¬
ций временных опор. Из-за невозможности разместить вдоль футбольного
поля какие-либо механизмы эти работы производились практически вруч¬
ную. Одновременно с устройством вантовой системы производились рабо¬
ты по монтажу светопрозрачного покрытия. Причем по определенным при¬
чинам они были сдвинуты с августа-октября на октябрь-декабрь, что зна¬
чительно осложнило их выполнение.
12 Заказ 1067
177

Рис. 3.35. Проектное положение вантовой системы после натяжения основных
канатов
ЗАЛ. Светопрозрачные ограждающие конструкции [3.19]
На предприятии ООО «Агрисовгаз» были спроектированы и изготовле¬
ны матрицы, стальные, алюминиевые и резиновые профили, оснастка, вы¬
полнены опытные образцы светопрозрачных панелей. Специалисты «Агри-
совгаза» совместно с дочерней фирмой «AGROGAZ GmbH» (Берлин)
разработали специальные требования к материалу покрытия (поликарбо¬
нату), который должен был обеспечить светопропускание солнечного света
в пределах 75 % и в то же время нести заданные снеговые и ветровые на-
178

грузки. Такой материал поставила компания «Полигаль» (Израиль) и ее
официальный представитель — ООО «Техпромпласт». Конструкция алю¬
миниевых профилей, система их крепления разработана с учетом темпера¬
турных воздействий и деформаций поликарбоната, алюминия, стальных
элементов. Была решена задача обеспечения допустимых прогибов и ис¬
ключения остаточных деформаций поликарбоната после снятия длитель¬
ных снеговых нагрузок за счет определения требуемых геометрических
размеров плит поликарбоната и устройства поддерживающих поперечных
стальных ригелей.
Монтаж светопрозрачных ограждающих конструкций (СОК) был вы¬
полнен 1-м МСМУ АО «Стальмонтаж» и ООО «Агрисовгаз» (рис. 3.36). На
укрупнительной площадке проводилась сборка водоотводных лотков и от¬
дельных элементов СОК, после чего они устанавливались в проектное по¬
ложение. Особое внимание уделялось укрупнительной сборке светопро¬
зрачных панелей. Работа велась при отрицательных температурах, герме¬
тизация стыков поликарбонатных панелей выполнялась в специальных
укрытиях. Светопрозрачные козырьки имеют значительное количество
технологических проемов (для пропуска узлов крепления тросов, шахт
дымоудаления и т. д.). Герметизация этих мест решена с помощью специ¬
альных конструкций из тентового материала.
Рис. 3.36. Монтаж светопрозрачных ограждающих конструкций
Таким образом, менее чем за год монтажники 1-го МСМУ АО «Сталь-
монтаж» выполнили весь комплекс работ по козырьку над трибунами ста¬
диона «Локомотив»: монтаж металлоконструкций, устройство вантовой
системы, раскружаливание и монтаж светопрозрачного покрытия. Это ста¬
ло возможным только благодаря напряженной совместной работе авторов
проекта, изготовителей конструкций, разработчиков технологии, геодези¬
стов, заказчика. Общие виды и фрагменты сооружения приведены на
рис. 3.37, а, б, в.
12!
179

Рис. 3.37. Общие виды
180

§ 3.5. Научно-техническое сопровождение изготовления
и монтажа конструкций
Выполнен комплекс работ по научно-техническому сопровождению из¬
готовления и монтажа металлоконструкций для обеспечения высокой дол¬
говременной надежности сооружения ввиду его уникальности (уровень
ответственности I по СНиП 2.01.07-85*), применения нестандартных про¬
ектных решений, материалов и конструкций, исходя из опыта строительст¬
ва аналогичных сооружений. Эти работы включали следующие разделы.
•	Разработка (в соответствии с требованием п. 3.3 СП 53-101-98) «Техни¬
ческих условий на изготовление и монтаж металлоконструкций», содержащих:
-дополнительные требования, не входящие в имеющиеся нормативно¬
технические документы или регламентирующие более высокие требо¬
вания по изготовлению, монтажу и приемке стальных конструкций;
-	основные положения показателей качества изготовления и монтажа ме¬
таллоконструкций, а также методы их контроля и приемки;
-	назначение в конструкции проката с более высокими рабочими свойст¬
вами, чем в требованиях СНиП Н-23-81*.
•	Технический контроль качества проката.
•	Технический контроль и приемка металлоконструкций на стадии изго¬
товления и монтажа.
•	Технический контроль и приемка монтажных болтовых и сварных со¬
единений.
•	Проведение натурных наблюдений (мониторинга) при монтаже метал¬
локонструкций и последующей его эксплуатации.
•	Анализ результатов технического контроля изготовления и монтажа
металлоконструкций.
«Технические условия на изготовление и монтаж» разработаны в соот¬
ветствии с рабочей документацией на несущие стальные конструкции с
учетом требований действующих нормативных документов [2.36, 2.37, 3.3,
3.16,3.17,3.18].
3.5.1. Применение сталей повышенной и высокой прочности [3.12]
К качеству проката были предъявлены высокие требования, соответст¬
вующие конструкциям группы 1 по СНиП П-23-81*, а в ряде случаев и более
жесткие. В конструкции применено около 600 т стали высокой прочности и
около 1500 т стали повышенной прочности. Из стали высокой прочности
выполнялись элементы конструкции, работающие в условиях сложного
напряженного состояния, — кольцевая балка коробчатого сечения из лис¬
тов толщиной 30 мм, оголовники пилонов из листов толщиной 36 мм. Ста¬
ли повышенной прочности толщиной 30 мм применены в элементах верх¬
них поясов радиальных ферм и толщиной 50 мм — в оттяжках пилонов.
В качестве проката высокой прочности с ат > 390 Н/мм2 была выбрана
термически улучшенная атмосферостойкая сталь ЮХСНД-А, поставляемая
АО «НОСТА» по ТУ 14-1-5120-92 с дополнительными требованиями по
точности изготовления: по толщине — высокая «ВТ», по плоскостности —
181

особо высокая «ПО», по ширине — повышенная «АШ», по серповидности
—	пониженная «СП». Прокат проходил ультразвуковой контроль сплош¬
ности с требованиями не менее второго класса по ГОСТ 22727-88. К прока¬
ту были предъявлены жесткие требования по ударной вязкости, обеспечи¬
вающие высокое сопротивление металла и сварных соединений хрупкому
разрушению, соответствующие уровню международных норм.
Прокат из стали повышенной прочности толщиной КН50 мм из стали
09Г2С-12 по ГОСТ 19281-89 изготавливался на Мариупольском комбинате,
ОАО «Северсталь» и на Магнитогорском МК.
В сталях высокой прочности были предусмотрены мероприятия, направ¬
ленные на недопущение холодных трещин (уменьшение суммарного содер¬
жания углерода и легирующих элементов, углеродный эквивалент был сни¬
жен до Сэ < 0,46 %, ограничения на максимальную твердость металла в зоне
термического влияния сварки, ограничение содержания водорода в прокате
—	не свыше 3 см2 на 100 г металла). Сталь для рассматриваемых конструк¬
ций, особенно для фланцевых соединений, поставлялась с гарантирован¬
ными Z-свойствами по ГОСТ 28870-90 (вводились ограничения на содер¬
жание вредных примесей в металле: серы и фосфора не более 0,015 %).
Проведены испытания на внецентренное растяжение в интервале клима¬
тических температур на плоских прямоугольных образцах со специально
наведенной краевой усталостной трещиной с записью диаграммы «нагруз¬
ка—смещение». Испытания проводились р соответствии с ГОСТ 25506-85 с
определением характеристик трещиностойкости Кс — критического услов¬
ного коэффициента интенсивности напряжений. Полученные результаты по¬
казали невозможность хрупкого разрушения конструкции при эксплуатации.
На стадии изготовления конструкций применялась многоуровневая
схема входного контроля металла. Это прежде всего анализ сертификатов
качества проката, предоставляемых заводами-изготовителями, показавший
его высокие свойства, полностью соответствующие ТУ на поставку метал¬
ла. В ЦНИИСК им. Кучеренко проводились контрольные испытания на¬
турных образцов на растяжение, ударный изгиб, микроструктурные иссле¬
дования, химический анализ, испытания Z-свойств. Выборочный контроль
проводился и на Белгородском ЗМК. Изготовление и монтаж конструкций
не встречали трудностей, специфических для переработки проката высокой
прочности.
3.5.2. Проведение технического контроля качества и приемка
металлоконструкций на стадии изготовления и монтажа
Работы заключались в визуальном контроле основных металлоконст¬
рукций поставки Белгородского ЗМК, контроле качества и марок материа¬
лов, примененных при производстве работ, проведении и анализе результа¬
тов технического контроля подготовки конструкций к монтажу, их укруп-
нительной сборке, установке, выверке, преднапряжении, закреплении и т. п.
Анализ показал, что качество и марки материалов, примененных при из¬
готовлении и монтаже несущих конструкций, удовлетворяют требованиям
182

агата, стандартов и технических условий. При изготовлении металло-
^шгггупшй на Белгородском ЗМК была использована разработанная в
им. Кучеренко система приемочного контроля сварных соеди-
еяв при заводском изготовлении строительных стальных конструкций.
: масимости от конструктивного оформления, условий эксплуатации и
ответственности швы сварных соединений были разделены на 3 ка-
г :гии и 12 типов, характеристики которых приведены в табл. 3.3. Методы
I :съемы контроля качества сварных соединений указаны в табл. 3.4.
Таблица 3.3
Классификация сварных швов стальных конструкций
(для приемочного контроля)
Катего¬
рия швов
Тип швов сварных соединений и характеристика условий
их эксплуатации
I
1.	Поперечные стыковые швы при развитии в них растягивающих
напряжений ар > 0,85 Ry.
2.	Швы тавровых, угловых, нахлесточных соединений, работающие
на отрыв, при растягивающих напряжениях в прикрепляемом эле¬
менте <Гр> 0,85Ry и напряжениях среза в швах Тущ > 0,85 RWf.
3.	Швы в конструкциях или в их элементах, относящихся к группе 1
по классификации СНиП II-23-81 *
II
4.	Поперечные стыковые швы, при развитии в них растягивающих
напряжений 0,4Ry < ар < 0,85/^, а также работающие на отрыв швы
тавровых, угловых, нахлесточных соединений при растягивающих
напряжениях в прикрепляемом элементе ар < 0,85/^ и при напряже¬
ниях среза в швах т^ц < 0,85/?^ (кроме случаев, отнесенных к п. 3).
5.	Расчетные угловые швы при развитии в них напряжений среза
> 0,75 Rwf, которые соединяют основные элементы конструкций
групп 2 и 3 (кроме случаев, отнесенных к п. 2 и 3).
6.	Продольные стыковые швы при развитии в них напряжений рас¬
тяжения или среза 0,4Ry < а < 0,85
7.	Продольные угловые швы в основных растянутых элементах кон¬
струкций групп 2 и 3 (поясные швы элементов составного сечения,
швы в растянутых элементах ферм и т. д.).
8.	Стыковые и угловые швы, прикрепляющие к растянутым зонам
основных элементов конструкций узловые фасонки, фасонки связей,
упоры и т. п.
III
9.	Поперечные стыковые швы при развитии в них напряжения сжатия.
10.	Продольные стыковые швы и связующие угловые швы в сжатых
элементах конструкций.
11.	Стыковые и угловые швы, прикрепляющие фасонки к сжатым
элементам конструкций.
12.	Стыковые и угловые швы во вспомогательных элементах конст¬
рукций (конструкции группы 4, согласно СНиП П-23-81*)
183

Таблица 3.4
Методы и объемы приемочного контроля сварных швов
стальных конструкций
Метод контроля
и обозначение
стандарта
Тип швов
по табл. 3.3
Объем
контроля
Примечания
Внешний осмотр
и измерение
Все
100%
Результаты контроля швов типа
К5 по табл. 3.3 должны быть
оформлены протоколом
Ультразвуковой
(ГОСТ 14782-86)
или
радиографический
(ГОСТ 7512-82)
контроль
1 и2
100%
3
10%
Без учета объема, предусмотрен¬
ного для швов типов 1 и 2
4
5%
То же
5
0,5 %
То же
Механические
испытания
(ГОСТ 6996-66)
Тип контролируемых соединений, объем контроля и тре¬
бования к качеству должны быть оговорены в проектной
документации
При проведении выборочного контроля испытаниям подвергались в
первую очередь сварные швы в местах их взаимного пересечения и в мес¬
тах с признаками дефектов. Если в результате выборочного контроля выяв¬
лялось неудовлетворительное качество шва, контроль продолжался до вы¬
явления фактических границ дефектного участка. По результатам неразру¬
шающего контроля швы сварных соединений должны были удовлетворять
требованиям, указанным в табл. 3.5.
Таблица 3.5
Браковочные признаки сварных швов стальных конструкций
Вид
дефекта
Тип шва
по табл. 3.3
Допустимые размеры и расположение дефекта
1
2
3
Трещины
Все
Недопустимы трещины любой ориентации и длины
Подрезы
I
Недопустимы, кроме дефектов глубиной не более
1 мм, расположенных на ребрах жесткости, к кото¬
рым не прикрепляются элементы связей и прочее
Неспл яв¬
ления по
кромкам
II и III
Недопустимы дефекты, расположенные поперек
усилий. Допустимы дефекты, расположенные вдоль
усилий, глубиной не более 1 мм при ширине до 2 мм,
и плавных очертаний
184

Окончание табл. 3.5
1
2
3
Поры,
шлаковые
включения
I
Недопустимы скопления и цепочки дефектов.
Допустимы единичные дефекты диаметром не бо¬
лее 1 мм для проката толщиной до 25 мм и не более
4 % толщины для проката толщиной свыше 25 мм.
При этом количество дефектов не должно превы¬
шать четырех на участке длиной 400 мм, а расстоя¬
ние между ними должно быть не менее 50 мм
II
Допустимы скопления и цепочки дефектов на от¬
дельных участках шва суммарной площадью не
более 5 % площади продольного сечения шва на
участке длиной не более 50 мм, при этом расстоя¬
ние между близлежащими концами цепочки долж¬
но быть не менее 400 мм. Допустимы единичные
дефекты диаметром не более 2 мм в количестве не
более шести на участке длиной 400 мм при рас¬
стоянии между ними не менее 10 мм
III
Допустимы скопления и цепочки дефектов протя¬
женностью не более 20 % длины шва.
Допустимы единичные дефекты диаметром не бо¬
лее 3 мм в количестве не более шести на участке
длиной 400 мм
Непровары
в корне шва
I
Недопустимы, кроме угловых швов нахлесточных и
тавровых соединений, в которых полный провар не
предусмотрен в проектной документации
II (тип 4)
Допустимы непровары высотой не более 5 % толщи¬
ны свариваемых элементов и длиной не более 50 мм
при расстоянии между концами не менее 400 мм
(возможность установления более льготных требо¬
ваний может быть согласована с проектной органи¬
зацией — автором в зависимости от условий экс¬
плуатации)
Межвали-
ковые впа¬
дины в мно¬
гопроход¬
ных швах
I
Допустимы глубиной не более 0,5 мм
II (тип 4)
Допустимы глубиной не более 1 мм
II (тип 5)
Допустимы глубиной не более 1,5 мм для угловых
швов с катетом 10+12 мм и не более 2 мм при раз¬
мерах катета 14+20 мм
Все заводские сварные швы металлоконструкций навеса над трибунами
стадиона «Локомотив» были разделены на 5 групп. Конструктивная харак¬
теристика этих швов и их классификация по предложенной системе приве¬
дена в табл. 3.6.
185

Таблица 3.6
Результаты исполнительной съемки горизонтальных перемещений
оголовнков пилонов до и после раскружаливания системы
№№
п/п
Расстояния
между
пилонами
Отклонения расстояний
от проекта до раскружа¬
ливания, мм
Изменение расстояний
после раскружаливания,
мм
1
Ю/3 — С/3
+2
-128
2
С/3 — С/В
+5
-232
3
С/В — Ю/В
+ 1
-127
4
Ю/В —Ю/3
+6
-180
Следует отметить, что, за исключением швов стыковых соединений,
выполняемых при укрупнительной сборке листового проката, заводские
швы металлоконструкций покрытия относились к II и III категориям (не
работающим в тяжелых условиях) и для них не требовалось проведение
тотального неразрушающего контроля физическими методами. Хорошо
отлаженная система управления качеством продукции на Белгородском
ЗМК обеспечили необходимое качество сварных соединений без допол¬
нительного инспекционного контроля. Основной акцент был сделан на
приемочный контроль монтажных сварных соединений, часть которых по
условиям эксплуатации относилась к I категории по принятой классифи¬
кации.
Визуальный контроль подтвердил отсутствие изменений формы и оста¬
точного деформирования отправочных марок металлоконструкций. Работы
по монтажу конструкций были произведены по утвержденному проекту
производства работ (ППР) в части последовательности установки конст¬
рукций, мероприятий, обеспечивающих точность установки, пространст¬
венную неизменяемость и устойчивость конструкций. Подготовка конст¬
рукций к монтажу, их укрупнительная сборка, установка, выверка и закре¬
пление произведены в соответствии с требованиями ППР, СНиП 3.03.01-87
и «Технических условий на монтаж».
Выполнен анализ отклонений геометрии пространственной системы
смонтированных несущих металлоконструкций от заданных проектом
допусков на основании исполнительных геодезических схем. Фактиче¬
ские отклонения верхней плоскости опорных плит составили: по положе¬
нию в плане в 94 % случаев — до 10 мм с единичными отклонениями 14 и
22 мм при допускаемых отклонениях ±5 мм; по высоте в 91 % случаев —
до ±6 мм с единичными отклонениями до -8 мм при допускаемых откло¬
нениях ±1,5 мм. Фактические отклонения кольцевой коробчатой балки
составили: по положению в плане в 85 % случаях — до 6 мм с единичны¬
ми отклонениями до 10 мм при допускаемых отклонениях ±5 мм; по вы¬
соте в 85 % случаев — до ±6 мм с единичными отклонениями до -10 мм
186

при допускаемых отклонениях ±5 мм. Анализ результатов исполнитель¬
ных геодезических схем показал удовлетворительное качество фактиче¬
ской геометрии конструкции при монтаже большепролетной сложной
пространственной системы.
Производственный контроль качества строительно-монтажных работ и
применяемых материалов осуществлен в соответствии со СНиП 3.01.01-85
с оформлением следующей документации: исполнительные чертежи с
внесенными изменениями и документами об их согласовании; заводские
технические паспорта на стальные конструкции; документы (сертифика¬
ты, паспорта), удостоверяющие качество материалов, примененных при
производстве строительно-монтажных работ; акты освидетельствования
скрытых работ; исполнительные геодезические схемы положения конст¬
рукций; журналы работ; документы о приемочном контроле сварных и
болтовых соединений.
Разработаны дополнительные технические рекомендации по монтажу
элементов гибких кольцевых связей 030 мм по нижним поясам шпрен-
гельных ферм. Перед началом монтажа были выполнены замеры факти¬
ческих расстояний между радиальными шпренгельными фермами в мес¬
тах установки гибких связей и длин соответствующих элементов. Опре¬
делены предельные допускаемые отклонения, которые не должны были
превышать в элементах без форкопфов ±5 мм, а с форкопфами ±1 мм.
Окончательная выверка положения гибких стержневых элементов между
связевыми блоками осуществлялась за счет натяжения крестовых связей
форкопфами. Контроль правильности их натяжения проводился по стреле
их провиса, относительная величина которой в среднем составила 1/200
длины стержня (±8 %).
Контроль и приемка монтажных соединений на высокопрочных
болтах. Технологический процесс выполнения, контроля и приемки со¬
единений на высокопрочных болтах включал следующие операции: подго¬
товку контактных поверхностей элементов; подготовку болтов, гаек и
шайб; сборку соединений и натяжение болтов на проектное усилие; кон¬
троль качества соединений, установку клейма исполнителя и приемщика;
герметизацию соединений. Общее количество монтажных стыков кольце¬
вой коробчатой балки — 28 шт. по 432 высокопрочных болта в каждом
соединении. Применялись также фланцевые соединения на высокопрочных
болтах элементов радиальных балок.
Перед обработкой контактных поверхностей соединений на высоко¬
прочных болтах выполнялся осмотр конструкций, выявивший: отсутствие
погнутости фланцев и надрывов сварных швов; непревышение предельных
отклонений от проектных диаметра и овальности отверстий ((Н+1 мм) и
расстояния между центрами отверстий в группе ±1,0 мм; отсутствие грунта
на контактных поверхностях элементов и деталей; отсутствие заусенцев на
краях отверстий и элементов. Образованная при этом фаска вокруг отвер¬
стия не превышала 0,5 мм в плоскости детали и имела угол из плоскости
187

детали не более 45°; шероховатость поверхностей после фрезерования и
сверления была не грубее третьего класса по ГОСТ 2789-73.
Обработка контактных поверхностей производилась огневым способом
многопламенными горелками с применением ацетилена и кислорода. Про¬
дукты сгорания и окалину удаляли проволочными щетками. Качество под¬
готовки контактных поверхностей элементов соединения проверялось ви¬
зуальным осмотром перед сборкой соединения. Результаты приемочного
контроля записывались в журнал производства монтажных работ. Сборка
соединений и натяжение болтов производилась не позднее 3 суток после
обработки контактных поверхностей.
Технологический процесс подготовки метизов включал: очистку от за¬
водской консервации, очистку от грязи и ржавчины, входной браковочный
контроль, прогонку резьбы болтов и гаек, покрытие их тонким слоем смаз¬
ки, парафинирование гаек с целью понижения коэффициента закручивания
с 0,18 до 0,13. Приемочный контроль метизов осуществляли на основании
сертификатов завода-изготовителя. Одновременно в ЦНИИСК им. Кучерен¬
ко производились контрольные выборочные испытания высокопрочных бол¬
тов для определения фактических механических свойств материала болтов.
Сборка соединений производилась на пробках и болтах предусмотрен¬
ного проектом диаметра и класса прочности. Количество пробок по усло¬
вию совмещения отверстий было не менее 2 шт. в соединении. В свобод¬
ные от пробок отверстия устанавливались высокопрочные болты. При этом
в момент постановки болтов гайки должны были свободно, от руки, заво¬
рачиваться по резьбе болта; под головку болта и под гайку устанавливалось
по одной круглой шайбе; выступающая за пределы гайки резьба имела не
менее одного витка с полным профилем.
Для соединений применены высокопрочные болты М24 из стали 40Х
«Селект» климатического исполнения ХЛ с временным сопротивлением не
менее 1100 МПа (110 кг/мм2), а также высокопрочные гайки и шайбы к ним
по ГОСТ 22353-77+ГОСТ 22356-77. Болты имели на головке заводскую
маркировку временного сопротивления, клеймо завода-изготовителя, ус¬
ловное обозначение номера плавки и буквы «ХЛ» (по ГОСТ 15150-69).
Натяжение высокопрочных болтов выполнялось на усилие 271 кН на
фрикционных соединениях и 244 кН — на фланцевых. Натяжение на про¬
ектное усилие от центра к краям фланца производилось гайковертами с
окончанием операции вручную динамометрическим ключом по расчетному
моменту закручивания. Динамометрические ключи тарировались не реже
двух раз в смену перед началом работы и в середине смены. Одновременно
контролировалась плотность стянутых пакетов. Результаты проверки запи¬
сывались в журнале производства монтажных работ.
Качество выполнения соединений на высокопрочных болтах с контро¬
лируемым натяжением проверялось путем пооперационного контроля. По¬
сле контроля качества и приемки соединения все его наружные поверхно¬
сти, включая головки болтов, гайки и выступающие из них части резьбы
188

болтов очищались, грунтовались и окрашивались, а оставшиеся зазоры в
стыках шпатлевались. Контроль герметизации фланцевых соединений про¬
изводился визуальным осмотром сопрягаемых элементов.
Анализ результатов технического контроля, выполненного ЦНИИСК
им. Кучеренко, показал, что все монтажные соединения на высокопрочных
болтах выполнены в соответствии с требованиями нормативных докумен¬
тов [2.25,2.26, 2.27].
Проведение испытаний высокопрочных болтов. Для определения
фактической несущей способности выполнены контрольные испытания
нескольких партий высокопрочных метизов, изготовленных ОАО Щелков¬
ским заводом «Спецмонтажизделие» и ЗАО «Курганстальмост». Испыты¬
вались болты М24 длиной 140 и 100 мм и соответствующие гайки и шайбы
в соответствии с ГОСТ 22356-77. Испытания проводились на прессе П 500
в специальном приспособлении, реверсирующем нагрузку. Болты длиной
140 мм имели временное сопротивление 1234-4392 Н/мм2 (Щелковский
завод) и 1206-4263 Н/мм2 (Курганский завод) при норме 1100-4350 Н/мм2.
Для болтов длиной 100 мм временное сопротивление соответственно со¬
ставило 1067-5-1136 и 1168-4237 Н/мм2. При испытаниях все болты разру¬
шились в резьбовой части с видимыми пластическими деформациями при
относительном сужении — 16,5-5-19,0%. С целью определения пластиче¬
ских характеристик болтов на растяжение испытывали образцы диаметром
10 мм. Относительное удлинение составило 85 = 9-5-12%, относительное
сужение у = 45-43 %, что соответствует требованиям стандарта (б5 > 8 %;
у > 40 %). Испытания на ударную вязкость проводились по ГОСТ 9454-78
на образцах типа 1 с U-образным надрезом при нормальной температуре.
При этом полученные величины KCU = 59-5-85 Дж/см2 полностью отвечали
требованиям ГОСТ 22356-77.
Твердость болтов оценивалась по Бринеллю на торцах стержней. Мак¬
симальная твердость болтов длиной 140 мм составила 320-452 НВ (Щел¬
ковский завод) и 277 НВ (Курганский завод). Для болтов длиной 100 мм эта
величина соответственно составила 306 и 331 НВ. Согласно ГОСТ 22356-
77 максимально допустимая твердость на болтах исполнения «ХЛ» (хладо¬
стойкие) не должна превышать 363 НВ. Аналогичные положительные ре¬
зультаты показали испытания гаек и в большинстве случаев шайб. Но для
шайб были выявлены отдельные выпады по твердости, оказавшиеся выше
нормативных значений, что объективно могло привести к увеличению зна¬
чений коэффициента закручивания.
Контроль и приемка монтажных сварных соединений. Для выпол¬
нения работ по обеспечению качества сварных монтажных соединений бы¬
ла разработана система организационных и технических мероприятий,
включающих установление и проверку квалификационных требований к
исполнителям, экспертизу проекта производства сварочных работ (ПГТСР),
проведение операционного и приемочного контроля за соблюдением тех¬
нологических требований.
189

Контрольные образцы (СНиП 3.03.01-87 и ГОСТ 23118-90) выполняли
сварщики 5-го разряда. Испытания образцов подтвердили необходимую
квалификацию сварщиков. Проводился систематический контроль за со¬
блюдением требований ППСР по выполнению основных технологических
операций (подготовка и использование сварочных электродов, организа¬
ция рабочих мест сварщиков, подготовка свариваемых кромок и качество
сборки элементов под сварку, последовательность наложения швов и т. п.).
Особое внимание уделялось предварительному подогреву свариваемых
элементов и выдерживанию температурного режима. Соблюдение техно¬
логических требований и отсутствие опасных дефектов в сварных соеди¬
нениях было подтверждено приемочным контролем, который осуществ¬
лялся независимыми организациями двумя методами — визуальным ос¬
мотром и ультразвуковой дефектоскопией. Комплекс перечисленных
выше организационных и технических мероприятий обеспечил высокое
качество сварных соединений, при инспекционном контроле отбраковки
швов не было.
3.5.3.	Научно-техническое сопровождение и численные
исследования работы покрытия на стадии монтажа
Основные конструктивные решения принимались после тщательной от¬
работки вопросов технологии их монтажа. ЦНИИСК им. Кучеренко осуще¬
ствлял научное сопровождение проекта производства работ и их выполне¬
ние. Такой диалоговый режим работы проектировщиков и монтажников
дал положительный результат. Были разработаны и внедрены уникальные
технологические операции с использованием специальных монтажных
приспособлений. В том числе предложена многоступенчатая технология
раскружаливания покрытия над трибунами натяжением основных вант,
принципиально отличающаяся от традиционного опускания смонтирован¬
ных конструкций. Было найдено эффективное решение, которое упрощало
монтаж и повышало качество работ.
Выполнены численные расчеты, моделирующие все этапы монтажа
висячей системы. Разработаны таблицы контрольных геометрических
параметров, включающие проектные величины и их корректировку с
учетом фактического положения оголовников и конструкций козырька,
длин и отметок центра вант, расстояния между сжимами и отметок их
центров, уклонов верхней плоскости сжимов, длин подвесок, ожидаемых
перемещений оголовников пилона в трех направлениях. Для всех этапов
натяжения канатов 0140 мм подготовлены таблицы расчетных нагрузок на
временные опоры.
Перед началом работ по монтажу вантовой системы покрытия над три¬
бунами выполнена комплексная приемка всех опорных частей и анкеров в
соответствии с требованиями СНиП 3.03.01-87, рабочего проекта и «Тех¬
нических условий на монтаж конструкций».
Монтаж оголовников пилонов. На закладной детали на верху пило¬
нов были нанесены оси симметрии и замерены фактические расстояния в
190

плане между центрами оголовников пилонов на отметке 49,6 м. Выполнена
исполнительная геодезическая съемка планового положения анкерных бол¬
тов и высотного положения поверхности закладной детали для опирания
оголовника. Отклонения верхней плоскости опорных плит под стальные
конструкции оголовников не должны были превышать: по положению в
плане ±30 мм; по высоте ±10 мм; по уклону 1/1500.
Оголовники ОП-1 и ОП-2 (по две штуки, зеркально отличающиеся друг
от друга) были замаркированы в соответствии с их положением по сторо¬
нам света (С.З; С.В; Ю.З; Ю.В). Выполнена разметка отверстий на опорных
столиках оголовника под анкера с учетом их фактического положения.
С учетом данных геодезической съемки подгонялись крепежные шайбы с
эксцентричным отверстием. Оголовники были установлены в проектное
положение с геодезической выверкой следующих параметров: положение
центра, вертикальность осей, совмещение вертикальных плоскостей (плос¬
кости оттяжек по короткой стороне покрытия) по линиям С.В.—С.З. и
Ю.В—Ю.З. Положение оголовников фиксировали затяжкой гаек на анке¬
рах, нижний лист оголовников толщиной 50 мм приваривали к закладной
детали в пилоне. Проводился приемочный инструментальный контроль
монтажных сварных швов и выполнялась окончательная геодезическая
съемка основных геометрических параметров системы.
Монтаж оттяжек от пилонов. Для определения максимальных
усилий в оголовнике его работа численно моделировалась для пяти вариан¬
тов монтажа: установка одной оттяжки, без тросов; установка двух оття¬
жек, без тросов; навеска вант по короткой стороне, без оттяжек; навеска
вант по длинной стороне, без оттяжек; навеска вант по короткой и длинной
сторонам, без оттяжек.
Анкерные болты для крепления оттяжек пилонов были установлены и
забетонированы одновременно с возведением фундаментов. Монтаж раз¬
решен только после достижения бетоном 50 % проектной прочности. Перед
монтажом оттяжек производилась исполнительная геодезическая съемка и
выверка всех контролируемых параметров: положение анкерных болтов и
их ориентация относительно плоскостей приемных фасонок оттяжек на
оголовниках, концевых и промежуточных шарнирных узлов и т. д.
Допускаемые отклонения анкерных болтов для нижнего элемента оття¬
жек пилонов составили: положение анкерных болтов в плане ±30 мм, откло¬
нения угла наклона оси анкера к горизонту и к направлению на ось оттяжки
±1°, отметка верха анкерного болта ±20 мм. Выверка стальных оголовни¬
ков и анкерных болтов для крепления оттяжек выполнялась одновременно,
с учетом того, что оси пары несущих вант 0140 мм и оттяжки от пилонов
расположены в плане по одной линии. Затем выполнялось плавное раскру-
жаливание оттяжек до полного их провиса.
Монтаж канатов несущей вантовой системы выполнялся в сле¬
дующем порядке.
1.	Подъем канатов 0140 мм с применением приспособлений, препятст¬
вующих возникновению в них остаточных деформаций (радиус перегиба
191

вант не менее 3150 мм) и исключающих повреждение наружных слоев про¬
волоки канатов.
2.	При навеске канатов середина их длины совмещалась с осями сим¬
метрии сооружения (допуски ±1 мм), контролировалось положение про¬
дольной осевой линии, нанесенной на канат, и концевые анкера для исклю¬
чения их закручивания.
3.	После навески канатов (до монтажа сжимов с подвесками) они закре¬
плялись наклонными лентами с натяжением для их стабилизации от ветро¬
вых воздействий.
4.	Установка сжимов в строгом соответствии с маркировкой их положе¬
ния на канатах.
5.	Выполнялась антикоррозионная защита отверстий под пальцы вилоч¬
ных анкеров и наружных поверхностей накладок приемочных фасонок.
6.	Перед монтажом подвесок корректировались их длины в соответст¬
вии с данными геодезической съемки и натурных замеров их длин по ка¬
ждой из монтируемых сторон. Все случаи отклонений более чем на ±50
мм (что допускалось проектом) согласовывались с авторами проекта. Ре¬
гулировочное устройство (форкопф) располагалось с нижней стороны
подвески.
7.	Перед первым этапом натяжения канатов 0140 мм был окончен мон¬
таж оттяжек от пилонов и их выверка. Затяжка болтов М36 крышек сжимов
на проектное усилие 330 кН согласовалась с порядком натяжения канатов
домкратами.
8.	Был рассчитан и согласован порядок раскружаливания временных
опор. При проектном натяжении канатов все временные опоры освобожда¬
лись от нагрузки от собственного веса козырька, за исключением 8 угловых
опор, для которых было предусмотрено раскружаливание традиционным
способом с помощью домкратов.
Перед монтажом канатов производилась исполнительная геодезическая
съемка с последующим внесением корректировок в раздел проекта ППР.
В несущих металлических конструкциях в местах сопряжения с элемента¬
ми вантовой системы предельные отклонения от проектного положения не
должны были превышать следующих значений.
•	Приемочные фасонки для вилочных анкеров подвесок на верхнем поя¬
се радиальных шпренгельных балок: диаметр отверстия +0,5 мм, 0; уклон
оси отверстия (косина) — не допускался; тангенс угла отклонения плоско¬
сти приемной фасонки от проектного положения — 1/1500; расстояния
между осями отверстий приемочных фасонок на каждой из балок по гори¬
зонтали — ±5 мм; по вертикали — ±2 мм.
•	Оголовники и оттяжки пилонов: отклонения отметок контролируемых
точек (оси отверстий приемочных фасонок оттяжек, оси закладных труб
для пропуска вант) — ±5 мм; отклонения фактических углов наклона осей
приемочных фасонок оттяжек и закладных труб для пропуска вант к гори¬
зонту и к направлению на ось оттяжки и оси вант — ± 1 °.
192

Для всех подвесок (68 шт.) определялись их длины с учетом трех вари¬
антов возможной наружной температуры (от / = О °С до t = 20 °С) и факти¬
чески замеренного положения основных тросов, размеров приемочных фа-
сонок, величин поправок для регулируемой части подвесок.
Натяжение основных канатов QH40 мм и раскружил ив ание по¬
крытия выполнялось строго в соответствии с проектом, разработанным на
основе численного моделирования. В проекте был определен порядок и
количество этапов натяжения. В процессе натяжения анкерная гайка подтя¬
гивалась с помощью ключей, вначале она находила на нарезку не менее
чем на половину диаметра стержня. После натяжения до заданной величи¬
ны гайка завинчивалась до отказа. Основные канаты на каждом из этапов
натягивались одновременно по каждой из сторон с одинаковой скоростью и
усилием до заданной величины в следующем порядке.
•	На каждом шаге (этапе) синхронно натягивались канаты В1 и В2 (Се¬
вер, Юг), а затем канаты ВЗ и В4 (Запад, Восток), с замером усилий в кана¬
те, хода домкрата на каждом шаге и суммарного, геодезической съемки
отметок центров канатов по середине их длины.
•	По окончанию каждого из этапов по результатам контрольных заме¬
ров принималось решение по натяжению канатов на следующем этапе с
уточнением хода домкратов и величины усилий натяжения.
На последнем этапе осуществлялся контроль следующих параметров:
усилия в канатах Bl, В2, ВЗ, В4; суммарный ход домкратов; отметки ко¬
робчатой балки по главным осям сооружения и в местах расположения
подвесок (34 точки); отметки и плановое положение центров канатов на
сжимах (68 точек); плановое положение верха пилонов и расстояние между
ними (4 точки); осадки пилонов (4x4= 16 точек); положение (геометрия)
оттяжек от пилонов (4x5 = 20 точек); усилия в подвесках (68 шт.).
Предельные отклонения законченных монтажом вантовых конструкций
не должны были превышать: по высоте — 25 мм; в плане — 15 мм; углы
между фактическим и проектным направлением оси тросов к горизонту
± 2°, то же в плане ± 1 °.
По окончанию монтажных работ выполнено защитное покрытие основ¬
ных тросов 0140 мм, подвесок из тросов 050 мм, подвесок из стержней
080 мм и узлов их сопряжения «металкоутом» толщиной не менее 1 мм.
Обращено особое внимание на заполнение «металкоутом» зазоров в узлах
сопряжения элементов вантовой системы.
§ 3.6. Натурные исследования основных несущих
конструкций на стадии монтажа и эксплуатации
3.6.1.	Геодезическое обеспечение монтажа металлоконструкций [3.15]
Цель работ — контроль положения металлических конструкций козырь¬
ка в процессе монтажа. Состав работ: разработка и согласование схемы
размещения сети деформационных марок на наблюдаемых металлоконст-
13 Заказ 1067
193

рукциях; расчет точности и разработка методики измерений; изготовление
и закладка деформационных марок на металлоконструкциях; выполнение
наблюдений за перемещениями металлоконструкций; обработка результа¬
тов измерений, выводы. Работа выполнялась ГУП «ГСПИ» совместно с 1-м
МСМУ АО «Стальмонтаж».
Измерения выполнялись по трем координатам. Допускаемые предель¬
ные ошибки измерения: деформаций металлоконструкций — 1 мм, тем¬
пературы окружающей среды — 1°. Наблюдения выполнялись циклами,
соответствующими этапам монтажа, но не менее одного раза в две недели
и одного цикла наблюдений в течение суток при максимальном перепаде
температуры.
Основными элементами, определяющими точность сборки козырька и
вантовой системы, являлись опорные плиты, расположенные на верху
колонн по оси «Е» и на пилонах, проушины радиальных и кольцевых ба¬
лок для крепления подвесок, сжимы вантовой системы. Требования к
точности монтажа несущих стальных конструкций и мероприятия по их
обеспечению были определены в технических условиях, разработанных
ЦНИИСК им. Кучеренко. Для установки опорных плит использовались
специальные выверочные устройства. Анкерное болты фундаментов от¬
тяжек устанавливались с использованием жестких кондукторов. Проект¬
ное положение пилонов обеспечивалось геодезическим контролем их по¬
ложения на всех участках бетонирования по высоте с возможностью кор¬
ректировки опалубки на каждой из захваток.
Проект производства геодезических работ предусматривал проверку
геометрии стапелей и кондукторов, а также контрольную съемку при ук-
рупнительной сборке и приемке элементов несущих конструкций на заво-
де-изготовителе (Белгородский ЗМК).
При монтаже и раскружаливании металлоконструкций геодезические
работы включали: проверку и развитие рабочей опорной сети; контроль
возведения железобетонных колонн и пилонов; исполнительную съемку
закладных деталей на колоннах по оси «Е» и на пилонах, анкерных бол¬
тов для крепления оттяжек; разметку положения радиальных балок и ого-
ловника пилона; контроль положения оттяжек пилонов и временных опор
под кольцевую балку; контрольную съемку при укрупнительной сборке
элементов несущих металлоконструкций на строительной площадке; ис¬
полнительную планово-высотную съемку положения смонтированных
радиальных балок на временных опорах; контроль пространственного
положения несущих тросов; измерение перемещений элементов конст¬
рукций в процессе раскружаливания покрытия; комплекс работ при мон¬
таже светопрозрачных панелей; натурные наблюдения в начальный пери¬
од эксплуатации сооружения.
Опорная сеть строилась на нескольких уровнях, что позволило наблю¬
дать все базовые точки на металлоконструкциях, оперативно осуществ¬
лять их монтаж и выполнять контрольные съемки. Исходной сетью для
194

дальнейшего развития (сгущения) служила внутренняя сеть объекта
(рис. 3.38), состоящая из шести пунктов, два из которых были закреплены
в малых фокусах южной и северной трибун (отметка 0,00), а четыре раз¬
мещались на первом ярусе трибун (отметка +3,90). Сеть сгущения строи¬
лась следующим образом: ориентирная сеть из 8 марок, равномерно на¬
клеенных по периметру балконов трибун (отметка +14,10); по четыре
пункта микротриангуляции на кольцевой балке (отметка +33,00) и на
верху пилонов (отметка +50,00) и 78 пунктов полигонометрии (отметка
+24,20). Плановая опорная сеть строилась с точностью микротриангуля¬
ции I разряда (среднеквадратичная погрешность взаимного положения
смежных пунктов не превышала 3 мм).
Рис. 3.38. Схема основной планово-высотной сети:
1 — пункт внутренней исходной (базовой) сети; 2 — ориентирная марка на отм. +14,0 м;
3 — репер II класса
Высотная опорная сеть создавалась в виде нивелирных ходов III класса,
опирающихся на два исходных репера II класса на отметке +3,90. На каж¬
дом монтажном горизонте (отметки +3,90; 14,70; 24,20; 28,00) строилась
высотная сеть сгущения по два репера на каждую трибуну. В ходы нивели¬
рования включались пункты плановой сети, находящиеся на данной отмет¬
ке. На пилонах на отметке +30,00 были наклеены марки, на которые пере¬
давались данные с помощью двух компарированных рулеток для контроля
монтажа несущих металлоконструкций. Их положение, в свою очередь,
контролировалось два раза в месяц передачей высот от исходных реперов.
Высотные измерения осуществлялись с четырех металлических штативов,
закрепленных на кольцевой балке.
13*
195

Схема выполнения геодезических работ соответствовала последова¬
тельности монтажа несущих металлоконструкций. По точкам опорной сети
на колонны по оси «Е» устанавливались в проектное положение закладные
детали. Для исключения выявленного кручения верха колонн от солнца и
ветра их установка и разбивка строительных осей производилась в утрен¬
ние часы при безветренной погоде.
Проектное положение осей кольцевой коробчатой балки определялось в
два этапа. Вначале полярным методом осуществлялась разбивка осей внизу
на трибунах, затем теодолитом выполнялся перенос осей на уровень верх¬
ней площадки временных опор с нанесением рисок. По ним производили
установку секций кольцевой балки, к которым пристыковывались радиаль¬
ные балки. Высотное положение кольцевой балки определялось с исполь¬
зованием марок на пилонах. Контролировались (рис. 3.39) точки на кольце¬
вой балке (70 шт.), центры проушин для крепления подвесок (128 шт.),
внутренние (со стороны футбольного поля) углы опорной плиты оголовни-
ков пилонов (8 шт.), деформационные марки по периметрам фундаментов
пилонов и анкерных оттяжек (48 шт.).
(Ь
Рис. 3.39. Конструктивные элементы покрытия и вантовой системы:
1 — кольцевая балка; 2 — точка В; 3 — проушина кольцевой балки; 4 — канаты;
5 — сжимы вантовой системы; б — проушина радиальной фермы; 7 — опорный
столик; 8 — металлическая закладная деталь (500x650); 9 — железобетонная ко¬
лонна; 10 — радиальная шпренгельная ферма; 11 — временная опора; 12 — рис¬
ка, фиксирующая проектное положение радиальной фермы; 13 — риска, фикси¬
рующая проектное положение кольцевой балки; 14 — подвеска
196

Перед монтажом вантовой системы была проведена исполнительная
съемка базовых элементов, определяющих выполнение требований техни¬
ческих условий. При навеске канатов контролировалось положение сжимов
на трех промежуточных монтажных этапах, что позволило вывести ванто¬
вую систему в проектное положение. По завершению раскружаливания
была повторно выполнена исполнительная съемка контрольных точек, ко¬
торая показала, что вантовая система находится в проектном положении в
пределах допускаемых отклонений. В табл. 3.6 приведены результаты ис¬
полнительной съемки горизонтальных перемещений оголовников пилонов
до и после раскружаливания системы. Изменение положения пилонов по
высоте оказалось несущественным, в пределах 1+2 мм. По замерам кон¬
трольных точек определено высотное положение кольцевой балки. Эти
перемещения оказались в диапазоне от -129 мм до +271 мм.
Анализ результатов геодезических измерений при монтаже конструкций
навеса над трибунами и вантовой системы позволил сделать вывод, что
несущие металлоконструкции и вантовая система находятся в проектном
положении в пределах расчетных допусков.
3.6.2.	Мониторинг несущих конструкций при эксплуатации сооружения
Работы по мониторингу несущих конструкций центральной спортивной
арены стадиона «Локомотив» выполнялись с 2001 г. ФГУП ГСПИ, НИИЖБ
и ЦНИИСК им. Кучеренко. В 2002+2003 гг. инструментальный монито¬
ринг по ряду организационных проблем не проводился.
Цель и задачи работы: инструментальный контроль за осадками и де¬
формациями несущих конструкций стадиона (ФГУП ГСПИ); расчет и ана¬
лиз соответствия результатов мониторинга несущих металлоконструкций
расчетным данным (ЦНИИСК им. Кучеренко). Кроме того, НИИЖБ вы¬
полнял обследование железобетонных конструкций главных пилонов.
Оценка технического состояния, несущей способности и эксплуатаци¬
онной надежности основных конструкций сооружения выполнена путем
сравнения результатов натурных измерений с расчетными данными. Изме¬
рения выполнялись по сохранившимся деформационным маркам, закреп¬
ленным при монтаже несущих конструкций стадиона.
Анализ проведен на основании следующих геодезических замеров:
-	схема уклонений центров стальных оголовников пилонов относительно
проектного положения (4 точки по 2 координатам, 17 циклов с ноября
2001 г. по декабрь 2006 г.);
-	ведомости изменений высот центров стальных вантовых тросов (6 то¬
чек, 12 циклов с марта 2004 г. по декабрь 2006 г);
-	ведомость деформаций кольцевой балки навеса над трибунами (8 точек
по 3 координатам, 14 циклов наблюдений с марта 2004 г. по декабрь
2006 г.);
-	смещения верха колонн по оси «Е» на отм. +28,70 м в плане (8 точек, 8
циклов наблюдений);
-	высотные деформации консолей (8 шт.) пилонов (56 точек замеров, три
цикла измерений).
197

Основными нагрузками и воздействиями на несущие конструкции явля¬
лись: снеговые нагрузки; температурные воздействия; осадки фундаментов
конструкции трибун и основных пилонов; нагрузки от зрителей на трибуны
во время проведения матча.
Исследование и анализ вышеперечисленных материалов, а также сопос¬
тавление результатов мониторинга с результатами численных расчетов по¬
казали их удовлетворительную сходимость. Графики отклонений верха
пилонов, вертикальные перемещения центров тросов, вертикальные пере¬
мещения кольцевой балки и соответствующие максимальные расчетные
величины приведены на рис. 3.40, 3.41, 3.42. Средняя осадка несущих ко¬
лонн трибун за 2,5 года не превышала 2,4 мм, главных пилонов — 3,2 мм,
перемещение верха пилонов — 22 мм. Анализ осадок строительных конст¬
рукций указывает на их затухание, в то время как деформации кольцевой
балки и изменения провиса вант впрямую связаны со снеговой нагрузкой и
температурными воздействиями.
1	5	6	7	8	9	10	11	12	13	14	15	16 17	18	19 20 21	22 23 24
1	5	6	7	8	9	10	11	12	13	14	15	16	17	18	19 20 21	22 23 24
ЮЗ
сз
1
2
3
4 (
юв
СВ
Y
Циклы замеров
Год
Лето
Осень
Зима
Весна
2001
1
2004
7
8,9
10
5,6
2005
12
13
14
11
2006
16
15, 17
Рис. 3.40. Отклонения верха пилонов:
	 	 максимальное расчетное отклонение
198

W, мм
60
40
20
0
-20
-40
-60
-80
-100
1	5	6	7	8	9	10 И 12	13	14	15	16	17	18	19 20 21	22 23 24
Север
		►Х
Циклы замеров
Год
Лето
Осень
Зима
Весна
2001
1
2004
7
8,9
10
5,6
2005
12
13
14
11
2006
16
15, 17
Запад
7Г
Л
Восток
TY
Рис. 3.41. Вертикальное перемещение центров тросов:
	 	 максимальный расчетный прогиб — 405 мм
Рис. 3.42. Эпюры максимальных вертикальных перемещений (мм) кольцевой балки:
		максимальные натурные замеры;	 максимальные расчетные прогибы
Одновременно проанализированы результаты натурных обследований
железобетонных конструкций, в первую очередь консолей и оголовков пи¬
лонов. Наблюдение за трещинами главных пилонов проводилось на дос¬
тупных местах до отметки +24,83 м. Выше отметки +24,83 м наблюдение
производилось только визуально. В процессе обследования пилонов было
199

проконтролировано 118 трещин, установлено 70 маяков при первоначаль¬
ном обследовании и 25 маяков при повторном.
На основании исследования и анализа результатов инструментального
мониторинга несущих конструкций, а также контроля состояния железобе¬
тонных конструкций, центральной спортивной арены стадиона «Локомо¬
тив» в период эксплуатации в 2001-^2007 гг., сделан вывод об удовлетвори¬
тельном состоянии основных несущих конструкций и достаточно хорошем
совпадении экспериментальных данных с результатами расчетов. За рас¬
сматриваемый период снижения несущей способности основных конструк¬
ций (главных пилонов, опорного контура и вант) не отмечено. Принятые
проектные решения обеспечивают эксплуатационную надежность соору¬
жения. Рекомендовано проведение текущего ремонта железобетонных кон¬
струкций, в первую очередь консолей и оголовков пилонов.
Литература к главе 3
ЗА. Баглаев Н.Н., Жирнова Т.В., Лебедев В.Л., Семенов В.А., Семенов П.Ю.,
Лавров А.П. Прочностной комплексный расчет несущих конструкций стадио¬
на // Монтажные и специальные работы в строительстве. - 2002. - № 3. -
С. 48-50.
3.2. Выговский А.Н., Рогов И. А., Мишу нов В.Л. Монтаж несущих конструкций
покрытия над трибунами // Монтажные и специальные работы в строительст¬
ве. -2002. -№ 3. -С. 16-18.
3.3.	ГОСТ 23118-99 «Конструкции стальные строительные». - М.: Госстрой Рос¬
сии, ГУП ЦПП, 1988. - 37 с.
3.4.	Еремеев П.Г., Киселев Д.Б., Савельев В.А. Стальные несущие конструкции
покрытия над трибунами // Монтажные и специальные работы в строительст¬
ве. -2002. -№ 3. -С. 7-13.
3.5.	Каприелов С.А., Шейнфельд А.В., Ферджулян А.Г., Пахомов А.В., Ливший
М.Я. Опыт применения высокопрочных бетонов // Монтажные и специальные
работы в строительстве. - 2002. - № 3. - С. 33-37.
3.6.	Ливший М.Я. Центральная арена стадиона «Локомотив»: устройство, проек¬
тирование, строительство // Монтажные и специальные работы в строительст¬
ве. -2002. -№ 3. -С. 2-5.
3.7.	Магомедова Л.В. Изготовление металлоконструкций на Белгородском ЗМК //
Монтажные и специальные работы в строительстве. - 2002. - № 3. - С. 14-15.
3.8.	МДС 53-1.2001 «Рекомендации по монтажу стальных строительных конструк¬
ций». - М.: ОАО «Стальконструкция», 2001.
3.9.	Мосеев Ю.В. Численный расчет нестационарной аэродинамики покрытия над
трибунами // Монтажные и специальные работы в строительстве. - 2002. -
№ 3. - С. 45-48.
ЗАО.Мордью Б., Рентмайстер Ф. Вантовая система покрытия // Монтажные и
специальные работы в строительстве. - 2002. - № 3. - С. 29-32.
3.11.	Некрасов И.В., Попов Н.А. Аэродинамические испытания покрытия над три¬
бунами // Монтажные и специальные работы в строительстве. - 2002. - № 3. -
С. 37-39.
200

3.12.	Одесский П.Д. Стали для металлических конструкций стадиона // Монтажные
и специальные работы в строительстве. - 2002. - № 3. - С. 19-23.
3.13.	Отставное В.А. Снеговые нагрузки на покрытие над трибунами // Монтаж¬
ные и специальные работы в строительстве. - 2002. - № 3. - С. 40-42.
ЗЛА. Попов Н.А. Анализ динамической работы покрытия над трибунами и оттяжек
пилонов // Монтажные и специальные работы в строительстве. - 2002. - № 3. -
С. 43-45.
3.15.	Рязанцев Г.Е., Жидков А.А., Горелов В.А., Назаров И.А., Выговский А.Н.,
Вихрев Б.Н. Геодезическое обеспечение монтажа металлоконструкций покры¬
тия над трибунами и вантовой системы // Монтажные и специальные работы в
строительстве. - 2002. - № 3. - С. 24-27.
3.16.	СНиП 12.01.2004 «Организация строительства». - М.: Госстрой России, 2005.
-42 с.
3.17.	СНиП 3.01.04-87 «Приемка в эксплуатацию законченных строительством объ¬
ектов. Основные положения». - М.: Госстрой России, - 1987. - 48 с.
3.18.	СП 53-101-98 «Изготовление и контроль качества стальных строительных
конструкций». - М.: Госстрой России, 1999. - 29 с.
3.19.	Юрков В.П. Светопропускающие козырьки стадиона // Монтажные и специ¬
альные работы в строительстве. - 2002. - № 3. - С. 27-28.

Глава 4
КРЫТЫЙ КОНЬКОБЕЖНЫЙ ЦЕНТР В КРЫЛАТСКОМ
§ 4.1. Общие сведения
Крытый конькобежный центр (ККЦ) в Крылатском — это один из пер¬
вых в России крытых катков с 400-метровой беговой ледовой дорожкой
[4.10, 4.11]. Компоновка здания определялась тем, что в соревнованиях
старты и финиши происходят на одной прямой, где и размещена главная
трибуна вместимостью 4000 мест (31 ряд). На противоположной стороне
расположена трибуна вместимостью 1800 мест (10 рядов), а на двух вира¬
жах — трибуны в 5 и 6 рядов общей вместимостью 1700 мест. Ширина
главной трибуны по центру составляет 30 м, уменьшаясь к виражам до 6 м;
образуя в плане сектор круга, расположенный с одной стороны ледового
поля. Поэтому форма плана здания, относительно продольной оси вытяну¬
того овала беговой дорожки, принята асимметричной, в виде сектора ра¬
диусом 123,6 м, близкого к полуокружности (162,7°).
На первом этаже (отм. ±0,00) расположены технические помещения и
охлаждаемая плита ледового поля, в пространстве под главной трибуной —
вестибюли, фойе для зрителей и т. п. Верхние этажи предназначены для
размещения кабин комментаторов и технологических помещений. План,
разрезы, внешний вид и интерьеры ККЦ представлены на рис. 4.1 -^4.4.
Конструктивная схема покрытия соответствует радиально-кольцевой
планировочной структуре здания. В центре почти полукругового сектора,
расположена центральная опора (пилон), на которую замыкается система
радиальных ферм покрытия, опирающихся с другой стороны на перимет¬
ральные колонны.
Геологическое строение участка неоднородное: под насыпью песков
(4-^6 м) залегают глины мощностью до 25 м, а под ними — частично раз¬
рушенные известняки. Отрицательные факторы — наличие насыпных
грунтов с включениями строительного мусора, толщина которых меняется
по длине здания (~ 260 м) от 1,3 до 6,8 м, и наличие потенциальной карсто-
во-суффозионной опасности.
При проектировании фундаментов учитывались крайне высокие требо¬
вания к допускаемым вертикальным перемещениям ледовой арены (±5 мм).
Поэтому предусмотренная на стадии «Проект» монолитная железобетон¬
ная плита по уплотненной щебеночно-песчаной засыпке (вместо выбран¬
ной насыпи) была заменена свайным основанием. Использованы забив¬
ные сваи сечением 30x30 см, длиной 12 м с бурением лидерных скважин.
Испытания показали, что несущая способность свай близка к расчетной
(500 кН).
В настоящей главе использованы материалы, опубликованные в журнале «Спе¬
циальные и монтажные работы в строительстве» № 3, 2005 г.
202

00S6Z	00S03 OOSOZ OOS \Z 0006 0006
0	6 о 6	6 6 6
203
Рис. 4.1. План здания

204
Рис. 4.2. Поперечный разрез здания

Рис. 4.3. Внешние виды
205

Рис. 4.4. Интерьеры
В основном применены отдельно стоящие ростверки, кроме участков с
потенциальной опасностью образования карстовых воронок. В этих зонах
использованы объединенные ростверки, способные перераспределять на¬
грузки на соседние кусты свай. Для включения ростверков в совместную
работу в горизонтальном направлении они объединены (без арматуры в
стыках) железобетонной плитой толщиной 250 мм (пол первого этажа), при
этом верх плиты и ростверков находится на одном уровне.
206

Фундамент главной центральной опоры запроектирован с учетом воспри¬
ятия значительных нормальных сил и моментов в двух направлениях. Фун¬
дамент размерами 38 * 30,5 х 4 м заглублен на 6,5 м и опирается на 688 свай.
Ввиду чрезвычайно сжатых сроков строительства и необходимости со¬
вмещения строительных процессов укрупнительная сборка и монтаж ферм
покрытия выполнялись на несущей плите ледового поля. Плита толщиной
370 мм с соответствующим армированием запроектирована с учетом нагру¬
зок от тяжелых монтажных кранов. Шаг свай под нее уменьшен с 4,5><4,5 м
на 2,25x4,5 м. На плите по 350-миллиметровому слою утрамбованного пес¬
ка и 100-миллиметровому слою жесткого утеплителя (стиродур) на сколь¬
зящем слое из пленки лежит железобетонная охлаждаемая плита толщиной
150 мм, размером 70x180 м.
Охлаждаемая плита запроектирована из пяти частей: главная беговая до¬
рожка, детская тренировочная дорожка с хоккейной площадкой, два виража
этой дорожки, тренировочный вираж главной дорожки и площадка для кер¬
линга. Каждый из участков может быть охлажден и покрыт льдом автономно,
что позволяет использовать лед различного качества — от самого высокого
уровня для скоростного бега на соревнованиях до массового любительского
катания. Для независимого охлаждения участков использована сложная сис¬
тема каналов с коллекторами, к которым присоединены трубы с хладоноси-
телем. Овальное кольцо главной беговой дорожки не имеет поперечных
швов, для чего применен бетон на напрягающем цементе. Было учтено, что
каждый температурный шов поперек дорожки — это место изменения тем¬
пературы льда и соответственно мгновенной перебивки ритма бега.
Каркас и перекрытия здания — монолитные железобетонные. Круглые
периметральные колонны диаметром 600 и 1000 мм объединены железобе¬
тонными балками. В перекрытиях, часть которых расположена вне теплого
контура, предусмотрены температурные швы. Главная опора покрытия
представляет собой цилиндрический «стакан» диаметром 12 м со стенкой
толщиной 0,6 м. Низ опоры расположен на отметке -2,6 м, а верх +12,8 м,
где лежит плита, в виде диска диаметром 34 и толщиной 2 м. В опору уло¬
жено около 2400 м3 бетона.
Наружные стены выполнены из газобетонных блоков толщиной 200 мм,
усиленных стальным фахверком. Снаружи применен эффективный утепли¬
тель толщиной 150 мм с отделкой из алюкобонда и минерита. Конструкция
покрытия подробно описана в § 4.2.
Возведение объекта [4.1] велось параллельно с выпуском рабочей доку¬
ментации. На все работы было отведено 18,5 месяца. Первая партия черте¬
жей КМ, разработанная институтом Моспроект-4, была выдана в середине
мая 2003 г., а последние чертежи КМ поступили в производство в сентябре
того же года. Строительство началось в марте 2003 г., окончено в сентябре
2004 г., а 5 февраля 2005 г. был открыт чемпионат мира по скоростному
бегу на коньках. За первые 4 месяца работы силами специалистов ЗАО
«Моспромстрой» было уложено около 40 тыс. м3 бетона в сложные конст¬
рукции ККЦ, а в августе 2003 г. начался монтаж конструкций покрытия. На
207

завершающей стадии работы велись в три смены одновременно по устрой¬
ству кровли, огнезащите ферм, монтажу воздуховодов, освещения, системы
звукоусиления, телевизионных камер и т. д. Внизу в это время монтирова¬
лась система хладоснабжения всего поля.
В этих сложнейших условиях строительства для обеспечения надежности
сооружения, исключения случайных просчетов была создана специальная
комиссия по проверке основных конструктивных решений, которая не вы¬
явила каких-либо серьезных ошибок проекта. Кроме того, с этой же целью
было предусмотрено испытание модели покрытия в масштабе М 1:50 [4.24].
Проект и рабочая документация разработаны авторским коллективом:
архитекторы А.В. Кузьмин, А.В. Боков, Д.В. Буш, В.И. Валуйских, С.Н. Чук-
лов, Л.С. Романова, 3.0. Бурчуладзе, О.Ю. Гак, А.Г. Тимохов, К.В. Ланина,
А.С. Золотова, конструкторы М.И. Кельман, М.Я. Лившин (ГИП объекта),
П.Г. Еремеев, С.Б. Турковский, А.А. Погорельцев, В.И. Травуш, А.Б. Нау-
мочева, Н.Г. Старикова, Е.П. Субботина, И.А. Русина, Е.А. Сватикова [4.5,
4.6, 4.8, 4.10], спортивный технолог — А.А. Шабайдаш, консультант —
председатель Союза конькобежцев России В.Д. Комаров. Проект производ¬
ства работ (ППР) по монтажу металлоконструкций выполнен Днепропет¬
ровским филиалом ЗАО НПФ УСМП. Проект облицовки фасадов [4.18]
разработали специалисты ЭКБ ЦНИИСК им. Кучеренко. Технологические
системы [4.12], связанные с устройством льда (водоподготовка, холод, вен¬
тиляция арены, автоматика, электронная система «старт-финиш»), спроек¬
тированы фирмой «ЮИТ Элмек» (Россия—Финляндия). Рекомендации по
устройству охлаждаемой плиты [4.13] разработаны лабораторией НИИЖБ.
Инвестор — Правительство Москвы, технический заказчик — ОАО
«Москапстрой». Генеральный подрядчик — фирма «Инпредстрой» ЗАО
«Моспромстрой». Субподрядчики — все фирмы, входящие в состав Мос¬
промстроя. Изготовление металлоконструкций выполнила ЗАО «Ассоциа¬
ция Сталькон» [4.3], деревоклееных конструкций — фирма ЗАО «ТВТ
Стройинвест» [4.29], несущих вант — французская фирма «Фрейссине»
[4.27]. Укрупнительную сборку металлодеревянных ферм проводили со¬
вместно ОАО «Стальмонтаж-Оптим» и «ТВТ Стройинвест». Монтаж ме¬
таллоконструкций осуществляла фирма ОАО «Стальмонтаж-Оптим» [4.16]
и ОАО «Стальмонтаж» 1-е МСМУ [4.2].
Разработка проекта и возведение здания сопровождались ведущими науч¬
но-исследовательскими организациями ФГУП «Строительство» — НИИОСП,
НИИЖБ, ЦНИИСК им. Кучеренко [4.4, 4.6, 4.14, 4.17, 4.20], в этих работах
принимали участие ОАО ЦНИИС [4.24] и Институт механики МГУ [4.20].
§ 4.2. Конструктивное решение. Численные исследования
работы покрытия
4.2.1.	Варианты конструктивного решения и элементы покрытия
В начале 1999 г. в ГУП МНИИП «Моспроект-4» была разработана ар¬
хитектурная концепция [4.10] и на стадии «Проект» выполнен вариант по-
208

крытия в виде выпуклой оболочки с радиально расположенными стальны¬
ми арочными фермами с затяжками, перекрывающими целиком пролет
арены (рис. 4.5). В дальнейшем были разработаны три новых варианта не¬
сущих конструкций покрытия: система металлодеревянных ферм, подве¬
шенных к вантам; деревоклееные арки; стальная мембрана.
Рис. 4.5. Вариант покрытия с радиальными арочными стальными фермами
Остановимся подробнее на последнем варианте, наиболее рациональ¬
ном по нашему мнению. Форма поверхности покрытия представляет собой
часть шатровой оболочки на почти полукруглом плане радиусом около
120 м. Конструкция включает пролетную часть, внутренний и наружный
полукольцевой контур, центральную опору и оттяжки от нее (рис. 4.6).
Пролетная конструкция в виде стальной мембраны толщиной 5 мм подкре¬
плена радиально-кольцевой системой элементов «постели». В шатровых
оболочках с поверхностью отрицательной гауссовой кривизны не требуется
специальных мероприятий по стабилизации покрытия против потери об¬
щей устойчивости, так как независимо от вида и распределения нагрузки
они всегда имеют направления, по которым мембрана работает на растяже¬
ние. Опорный контур — из монолитного железобетона в металлической
опалубке, которая включается в работу контура. Оттяжки от центральной
опоры (высотой существенно меньшей, чем для вантового покрытия) могут
быть выполнены из металла или предварительно напряженного железобе¬
тона. Монтаж покрытия предусмотрен на проектной отметке навесным
способом, после возведения опорных конструкций. Кровля традиционная,
непосредственно по мембране, защищенной лакокрасочными покрытиями
от коррозии, укладывается утеплитель и гидроизоляционный ковер. Сталь¬
ные мембраны допускаются к эксплуатации без специальных мероприятий
по огнезащите с пределом огнестойкости 0,8 часа [4.22].
14 Закал 1067
209

Рис. 4.6. Вариант покрытия в виде стальной мембраны
Рис. 4.7. Общий вид покрытия (окончательный вариант)
Руководством Комплекса перспективного развития Москвы был выбран
первый вариант в виде системы металлодеревянных ферм, подвешенных к
вантам (рис. 4.7). Несущие металлоконструкции разработаны ГУП МНИИП
«Моспроект-4» [4.8, 4.10, 4.11], пояса ферм и прогоны из клееной древеси¬
ны — лабораторией деревянных конструкций ЦНИИСК им. Кучерен¬
ко [4.5], скользящие опоры — ОАО «Гипротрансмост».
Форма покрытия. Покрытие в плане представляет собой сектор с цен¬
тральным углом а « 162,7°. Форма покрытия определена с учетом мини¬
мального 6 % уклона кровли для обеспечения стока дождевых и талых вод.
210

Максимальные отметки на оси симметрии покрытия изменяются от 17,05
до 28,19 м, минимальные от 14,86 до 15,70 м. Построение поверхности по¬
крытия выполнено с учетом строительного подъема ферм в местах крепле¬
ния вант (на 250 мм для крайних ферм и 500 мм для остальных).
Общая конструктивная схема покрытия (рис. 4.8, а, б, в). Основны¬
ми несущими элементами являются радиальные металлодеревянные фермы
пролетом 50,6 м двух типов. Фермы Ф1 (19 шт.) опираются по оси И-1 на
центральную монолитную железобетонную опору одним концом (рис. 4.9, а)
и подвешены другим концом к вантовой системе через полукольцевую бал¬
ку, поддерживающую фермы Ф2 (рис. 4.9, б). Фермы Ф2 (38 шт.) опирают¬
ся на железобетонные периметральные колонны по оси Г-1 (рис. 4.9, в) и
попарно на полукольцевую балку на расстоянии 1 м в стороны от ферм Ф1.
Опирание ферм Ф1 и Ф2 на полукольцевую балку — шарнирно¬
неподвижное (рис. 4.9, б). Конструкция опирания ферм Ф2 на железобе¬
тонные колонны по оси Г-1 (рис. 4.9, в) обеспечивает радиальное и тан¬
генциальное перемещение и поворот вокруг вертикальной оси (использо¬
ваны скользящие опоры с коэффициентом трения не более 5 % при темпе¬
ратуре выше минус 10 °С и с учетом внецентренного приложения верти¬
кальной нагрузки).
Радиальные фермы объединены в пространственную систему кольце¬
выми прогонами, вертикальными и горизонтальными связями. Кольцевые
прогоны расположены на верхнем поясе радиальных ферм, по ним уложен
профилированный настил Н-114, работающий по неразрезной схеме. Так
как вместимость катка более 4000 зрителей, для данного объекта в
ЦНИИСК им. Кучеренко были разработаны специальные технические ус¬
ловия по противопожарной безопасности, которые были согласованы с
МЧС и утверждены Росстроем России. В связи с тем, что в несущих конст¬
рукциях применена древесина, Госпожнадзор потребовал использовать в
кровле материалы с уровнем горючести не выше Г-1. Поверх профнастила
уложена пароизоляция (изоспан), затем 19 см утеплителя (руф баттс) и по
нему 2 слоя алькорплана (армированная пленка ПВХ толщиной 1,2 мм).
Общую устойчивость обеспечивают три связевых блока в плоскости по¬
крытия, вертикальные связи по осям И-1, Г-1, а также вертикальные связевые
фермы и распорки, установленные в пределах высоты верхних поясов ферм.
Покрытие в середине пролета подвешено к системе из 19 вант пролетом
от 75,7 м до 78,5 м. Ванты расположены под углом от 32 до 37° к горизон¬
ту. Ванты сходятся в оголовке А-образной опоры (пилона) высотой около
50 м. Усилия от вант уравновешиваются двумя стальными многозвенными
оттяжками, прикрепленными к оголовку пилона со стороны, противопо¬
ложной вантам (рис. 4.8, б). Оттяжки расходятся от пилона под углом 39,1°
в плане и имеют угол наклона к горизонту 63°. На уровне верха центральной
железобетонной опоры наклонный отрезок оттяжек длиной 57,2 сопрягает¬
ся с вертикальным участком длиной 20,6 м. Там же установлены V-образные
распорки к центральной опоре.
14*
211

8-^	А
7
\ г3
0.000
12 500
(12 500
*25 000
10
Рис. 4.8. Схема расположения элементов покрытия:
а — план; б — разрез 1 -1; в — разрез 2-2;
1 — главная монолитная железобетонная опора; 2 — V-образная распорка; 3 — ванта;
4 — Л-образная опора; 5 — полукольцевая балка; 6 — анкерный элемент; 7 — затяжка;
8 — ось шарнира; 9 — ферма Ф1; 10 — ферма Ф2
212

50 600
Рис. 4.9. Конструктивные узлы:
а — опирание фермы Ф1 на центральную железобетонную опору; б — подвеска ферм Ф1
к вантовой системе; в — опирание ферм Ф2 на периметральные железобетонные колонны;
1 — центральная монолитная железобетонная опора; 2 — болт-шарнир; 3 — нижний пояс фер¬
мы; 4 — серьга ванты; 5 — полукольцевая балка; 6 — стальной «башмак» с тангенциальной
опорой; 7 — подвижная опора; 8 — железобетонная колонна; 9 — ферма Ф1; 10 — ферма Ф2
213

Вертикальные части оттяжек, отстоящие от центра пилона на 25,94 м,
заканчиваются анкерами, забетонированными на глубину 6,2 м в монолит¬
ные фундаменты объемом 4374 м3 и массой 10 935 т. Крепление оттяжек к
оголовку Л-образной опоры, V-образных распорок к оттяжкам и централь¬
ной опоре, а также сопряжение А-образной опоры с железобетонным осно¬
ванием выполнено шарнирным с применением специально изготовленных
болтов-шарниров (осей) и цилиндрических шарнирных опорных частей.
Для крепления отдельных вант к конструкции использован сварной состав¬
ной переходной элемент (серьга) из листовой стали с упором под анкер.
Серьги на концах вант крепятся к ребрам оголовка Л-образной опоры и к
стальным оконечникам ферм Ф1 болтами-шарнирами.
В ходе предварительной проработки этого варианта были рассмотрены
различные конструктивные схемы, в том числе с разбивкой пролета вдоль
радиуса покрытия на три полукольцевых участка с тремя типами дерево¬
металлических ферм. При этом пролетная конструкция подвешивалась с
использованием двух рядов вант, одних замкнутых на центральную опору с
оттяжками, а других на систему стоек, более низких, чем пилон, с оттяжка¬
ми, расположенными по наружному полукольцу (рис. 4.10).
Рис. 4.10. Вариант покрытия с двумя системами подвесок
Радиальные фермы. В покрытии применены два типа ферм Ф1 и Ф2.
Верхние пояса ферм выполнены из клееной древесины прямоугольного се¬
чения размерами 1500x480 мм и 1000x330 мм соответственно. Нижние рас¬
тянутые пояса ферм изготовлены из горячедеформированных труб 0203x20
мм, решетка ферм — из горячедеформированных труб 0168x8 мм (сталь
С20). Закладные и фасонные детали в верхних поясах ферм для крепления
214

прогонов, связей и раскосов выполнены из стали С345-3. Нижние пояса ферм
крепятся к фасонкам фрикционным соединением на высокопрочных болтах
М24. Крепление решетки ферм, прогонов и связей выполнено на сварке.
Для опирания ферм Ф2 на полукольцевую балку и железобетонные ко¬
лонны по оси Г-1 (см. рис. 4.9, б, в) разработаны стальные «башмаки» из ста¬
ли С390 и С345-3 с тангенциальной опорной частью. Концы деревоклееных
верхних поясов ферм Ф1 заключены в обоймы из вертикальных листов тол¬
щиной 50 мм (С390), подкрепленных ребрами жесткости. В обоймах преду¬
смотрены отверстия для шарнирного крепления ферм к опорам по оси И-1 и
к серьгам вант. Применены болты-шарниры 0160 мм, изготовленные из
стальных поковок Гр.1У-КП 685 (38XH3MA) по ГОСТ 8479-70.
Прогоны пролетом 3,54),8 м в основном выполнены из клееной древеси¬
ны прямоугольного сечения шириной 140 мм и переменной высотой в проле¬
те от 500 до 900 мм (за счет криволинейного очертания нижней грани), при
постоянной высоте на опоре — 500 мм. Шаг установки прогонов — 6 м. По
осям И-1, Г-1 и над полукольцевой балкой прогоны выполнены стальными
(С345-3), из прокатных двутавров. Большая часть прогонов прикреплена к
верхним поясам ферм шарнирно-неподвижно. Часть кольцевых прогонов, за
счет шарнирно-подвижных узлов крепления, разомкнута.
Крестовые связи в плоскости покрытия изготовлены гибкими из двух
прутков 024 мм (сталь 09Г2С-12). Для их предварительного натяжения на
монтаже предусмотрены талрепы. Вертикальные связевые фермы и рас¬
порки выполнены из горячедеформированных труб 0102-440 мм (С20).
Полукольцевая балка в виде депланированной ломаной кривой, повто¬
ряющей форму покрытия, составлена из прямолинейных отрезков между
точками креплений ферм Ф1. В плане балка имеет форму дуги окружности
радиусом 67,35 м. Балка с габаритными размерами 1000x1120 мм состав¬
лена из двух сварных двутавров (С345-3), объединенных между собой вер¬
тикальными и горизонтальными диафрагмами (см. рис. 4.9, б). Крепление
каждого двутавра составной балки к ребрам концевых обойм фермы Ф1 —
фрикционное на высокопрочных болтах М24. Радиальные горизонтальные
усилия с полукольцевой балки передаются на фермы Ф1 через упоры.
А-образная опора (пилон) состоит из двух наклонных стоек, объеди¬
ненных вверху оголовком. Высота опоры 51 м, отметка верха оголовка
64,80 м. Стойки в виде сварной трубы наружным диаметром 2500 мм вы¬
полнены из вальцованного листа (С390) толщиной 50 мм, усиленного через
4 м кольцевыми ребрами жесткости. Стойки опираются на плиту централь¬
ной железобетонной опоры (отметка 14,8 м) через цилиндрические шарни¬
ры (диаметр 450 мм, длина 3200 мм), поставленные, в свою очередь, на
скользящие опоры (рис. 4.11). Между опорными узлами стоек установлена
затяжка длиной 25 м из двух вертикально расположенных стальных (С390)
листов 1100x30 мм. Затяжка крепится к стальным фасонкам на опорах
трубчатых стоек (ребра толщиной 80 мм из стали С345-3) фрикционным
соединением на высокопрочных болтах М27. В железобетонной плите ус¬
тановлены упоры для восприятия горизонтальных усилий со стоек пилонов
215

в направлении, перпендикулярном за¬
тяжкам.
Оголовок А-образной опоры (рис.
4.12) представляет собой сварную
стальную конструкцию из двух труб
02500x50 мм (С390) с расстоянием
между осями 2900 мм, объединенных
между собой горизонтальными (свер¬
ху и снизу) листами толщиной 50 мм и
19 вертикальными ребрами толщиной
40 мм с отверстиями для крепления
переходных элементов вант болтами-
шарнирами 0160 мм. Внутри труб
оголовка поставлены парные верти¬
кальные стальные ребра, заканчиваю¬
щиеся проушинами для крепления
многозвенных оттяжек болтами-
шарнирами 0480 мм.
Конструкция овального оголовка и
его размеры (высота 3675 мм, длина
7216 мм, ширина 2960 мм) определе¬
ны исходя из технологии выполнения
сварочных работ внутри оголовка,
приварки вертикальных ребер и размещения узлов крепления оттяжек.
Масса оголовка без вертикальных ребер 56 т, масса вертикальных ребер
35 т.
Оттяжки представляют собой многозвенный цепной элемент (см.
рис. 4.8, б, в), состоящий из одинарных и парных звеньев. Длина основных
звеньев в осях отверстий 8174 мм. Сечение одинарного звена 450х400 мм.
Парное звено состоит из двух частей сечением 450x200 мм каждая, объе¬
диненных «сухарями» на сварке. Сечения звеньев оттяжек сплошные, соб¬
ранные в пакет из стальных (С390) листов толщиной 40 мм и соединенных
сваркой по контуру листа. Звенья оттяжек соединены между собой на мон¬
таже болтами-шарнирами (осями) диаметром от 450 до 530 мм. Болты-
шарниры изготовлены из стальных (38XH3MA) поковок Гр.ГУ-КП 685
по ГОСТ 8479-70.
Здесь следует обратить внимание на следующее. В рабочем проекте для
болтов-шарниров, в соответствии с п. 4.4* и табл. 52* СНиП 2.05.03-84*
«Мосты и трубы», были использованы поковки Гр.ГУ-КП 1200 из стали
марки 40X13. При согласовании с генподрядчиком заказной спецификации
металла при детальной проработке узлов была обнаружена ошибка в указан¬
ном разделе СНиП 2.05.03-84*, касающаяся рекомендуемой марки стали и
категории прочности. В связи с этим в новом варианте проекта КМ приме¬
нены поковки Гр.1У-КП 685 из стали марки 36Х2Н2МФА для болтов-шар¬
ниров при соответствующем увеличении их диаметра.
216
Рис. 4.11. Узел опирания А-образной
опоры:
1 — скользящая опора; 2 — цилиндричес¬
кий шарнир

Рис. 4.12. Оголовок Л-образной опоры:
а — план; б — разрез 1 -1; в — общий вид;
1 — оттяжка; 2 — серьга ванты; 3 — А-образная опора; 4 — оголовок; 5 — ванта;
6 — ребро оголовка
217

Вертикальная часть оттяжек заканчивается анкерным элементом, изго¬
товленным также из пакета сваренных между собой стальных листов тол¬
щиной 40 мм и закрепленным к оттяжке болтом-шарниром. Этот элемент
снабжен стальной анкерной плитой, площадь которой определялась расче¬
том бетона фундамента на местное сжатие и выкалывание.
Распорки. Каждая из ветвей V-образных распорок с габаритами сече¬
ния 1200x600 мм выполнена в виде двух стальных двутавров, сваренных из
листов (С390) толщиной 40 мм. Ветви объединены раскосной решеткой.
Распорка присоединена к оттяжке болтом-шарниром 0530 мм и опирается
на центральную железобетонную опору через цилиндрические шарниры,
аналогичные установленным под А-образную опору (рис. 4.13).
Рис. 4.13. Общие виды V-образных распорок
218

Ванты. В конструкции висячего покрытия применены ванты фирмы
«Фрейссине» (Франция), которая занималась их разработкой, поставкой и
шефмонтажом [4.27]. Система вант «Фрейссине», основанная на принципе
полной независимости каждой пряди, обладает следующими преимущест¬
вами: индивидуальная установка, анкеровка и натяжение пряди; возмож¬
ность демонтажа и замены пряди; высокая антикоррозионная защита, в том
числе отдельно каждой пряди и соответственно долговечность системы.
В конструкции применены ванты (тип 31Н15), состоящие из пучка, насчи¬
тывающего 31 параллельную прядь в оболочке со «слабым» сцеплением с
индивидуальной защитой, так называемых монопрядей «Фрейссине». Пу¬
чок прядей заключен в общую оболочку диаметром 160 мм (рис. 4.14, а) из
полиэтилена высокой плотности (ПЭВП).
Прядь номинальным диаметром 15,7 мм, состоящая из 7 гальванизиро¬
ванных цинком проволок, заключена методом экструдирования в оболочку
из ПЭВП. Пустоты между проволоками и пространство до полуприлегаю-
щей оболочки заполнены микрокристаллическим нефтяным парафином.
Таким образом, сталь монопрядей «Фрейссине» защищена по всей длине от
коррозии тремя барьерами.
1
Рис. 4.14. Ванты «Фрейссине»:
а — пучок прядей в оболочке из ПЭВП; б — анкерное устройство;
1 — опорный элемент, 2 — регулировочный элемент, 3 — корпус
анкера, 4 — цанга для крепления пряди, 5 — блок-муфта герметич¬
ности, 6 — защитный корпус, 7 — антикоррозионный наполнитель
219

Рис. 4.15. Схема подвески (ванты «Фрейссине»):
1 — фиксированное анкерное устройство; 2 — ванта; 3 — регулируемое анкерное устройство;
4 — серьга; 5 — амортизатор; 6 — кожух; 7-31 канат 015,7 мм
Элемент анкера «Фрейссине» (рис. 4.14, б) имеет специальную долговеч¬
ную антикоррозионную защиту. Свободные от оболочки пряди проходят в
анкерную зону через муфту, выдерживающую давление более 1000 кПа и
обеспечивающую герметичность внутренней полости анкерного устройства.
Каждая прядь зажимается в анкерной плите специальной индивидуальной
цангой.
Основные характеристики ванты: суммарная площадь поперечного се¬
чения Л = 31 * 1,5 = 46,5 см2; минимальное разрывное усилие Np = 31^265 =
= 8215 кН; максимальное расчетное усилие Nmax = 3900 кН. Эффективный
модуль упругости вант Е на разных стадиях натяжения определялся по
формуле
Е = Еп
\2а*
где: Е0 = 195 000 Н/мм2; у = 87 000 Н/м2; L — горизонтальная проекция ван¬
ты; ст — осевое напряжение ванты.
Фиксированные и регулируемые анкерные устройства, в которых кре¬
пятся параллельные пряди, установлены по концам ванты. Регулируемое
220

анкерное устройство обеспечивает натяжку каждой отдельной пряди спе¬
циальным домкратом с одновременным контролем в нем усилия. Для удоб¬
ства монтажа регулируемое анкерное устройство установлено на нижнем
конце ванты. В нижних частях вант установлены амортизаторы (гасители
колебаний) для предупреждения резонансных явлений от действия пульса-
ционной ветровой нагрузки. После натяжения ванты были герметизирова¬
ны заливкой парафина в полости анкеров.
Ванты и анкеры «Фрейссине» успешно прошли сертификационные ис¬
пытания, включающие циклическое осевое растяжение от 0,2 до 0,5 макси¬
мального разрывного усилия ванты, поперечный изгиб ±30 мрад при коле¬
бании температур от 20 до 70 °С.
Металлодеревянные фермы покрытия [4.5, 4.29]. Покрытие с при¬
менением клееной древесины по пролету и принятым конструктивным ре¬
шениям является уникальным, не имеющим аналогов в отечественной и
зарубежной практике строительства. Фермы с прямолинейным верхним и
провисающим нижним поясами имеют ряд достоинств: равномерное рас¬
пределение усилий по их длине, минимальное количество стыков в верх¬
нем поясе, упрощение узлов крепления слабо напряженной (в основном
сжатой) решетки. Радиальное расположение ферм в плане создавало про¬
блему разнотипности прогонов по длине. Расположение ферм Ф2 попарно
параллельно друг другу с шагом 9 м (см. рис. 4.8, а) позволило унифициро¬
вать значительную часть прогонов.
Верхний пояс фермы выполнен из прямолинейных клееных элементов
длиной около 18 м со стыками вразбежку и строительным подъемом в се¬
редине пролета. При определении мест стыков и длин элементов верхнего
пояса принимались во внимание особенности технологии производства
завода-изготовителя ДСК-160 (г. Королев), а также условия транспорти¬
ровки, порядок сборки и монтажа. Конструктивная схема ферм показана на
рис. 4.16, а, б. Ввиду значительных внутренних усилий в верхнем поясе
фермы Ф1 его сечение выполнено по ширине из трех клееных деревянных
элементов, каждый сечением 140x1500 мм. Верхний пояс фермы Ф2 по
ширине составлен из двух элементов сечением 140x1000 мм каждый. Меж¬
ду собой элементы соединены на вклеенных нагелях. В заводских условиях
в них устанавливали закладные детали для крепления прогонов и решетки,
а также в зоне стыков.
Соединение деревянных элементов по длине выполнено жестким, спо¬
собным воспринимать продольные усилия, разнозначные изгибающие мо¬
менты и поперечные силы в двух плоскостях. Это обеспечило работу эле¬
мента как цельного не только на эксплуатационные, но и на монтажные
усилия. Закладные детали в деревянных элементах на монтаже сваривали
между собой стальными накладками. Анкеровка закладных деталей осуще¬
ствлялась с помощью наклонно вклеенных арматурных стержней, что по¬
зволило получить соединение, равнопрочное с материалом основного сече¬
ния [4.19, 4.25]. Пересекая многие слои клееного пакета, прочность такого
соединения становится практически независимой от возможных трещин и
221

расслоений, которые могут возникать в процессе эксплуатации. Схема сты¬
ка сжатого пояса фермы Ф1 показана на рис. 4.17. Стальные накладки в
стыках использовались и для крепления прогонов, которые также имеют
стальные закладные детали на вклеенных стержнях.
а)
б)
Рис. 4.16. Конструктивная схема:
а — фермы Ф1; б — фермы Ф2
Рис. 4.17. Схема стыка сжатого пояса фермы Ф1
222

Закладные детали с фасонками по нижней грани верхнего пояса приме¬
нены для крепления на сварке стальных подкосов. Фасонки, приваренные
при сборке пояса, дополнительно выполняли функции соединительных
накладок. Закладные детали крепились с использованием V-образных вкле¬
енных анкеров (двухсторонние связи) для восприятия значительных по ве¬
личине и меняющих направление усилий, действующих в трех плоскостях.
Сварные соединения использованы только в узлах сопряжения решетки с
деревянным поясом. Это сняло и проблему разницы допусков на точность
изготовления и монтажа для стальных (1-^2 мм) и деревянных (1(Н20 мм)
конструкций.
Плотность контакта в стыках крупногабаритных деревянных элементов
обеспечена заполнением зазоров полимербетоном на базе эпоксидной компо¬
зиции «Этал-370», который обладает высокой прочностью при сжатии (более
70 МПа), упругостью, хорошей адгезией к древесине, удобоукладываемо-
стью, безусадочностью, достаточной долговечностью, повышенной тепло¬
стойкостью. Такое решение обеспечило практически абсолютную плотность
контакта даже при низком качестве торцовки стыкуемых элементов. Одно¬
временно решался вопрос предотвращения образования в стыках конденсата.
Эти работы выполнила лаборатория полимербетонов НИИЖБ.
4.2.2.	Статическая схема работы конструкций [4.5]
Постоянные и временные нагрузки передаются на прогоны покрытия,
работающие на изгиб и нормальную силу, которая возникает за счет про¬
странственной (оболочечной) работы стержневой системы. Расчетная нор¬
мальная сила в деревянных прогонах составила ±(80-490) кН, в стальных
прогонах — до 400 кН сжатия в связевом блоке и до 300 кН растяжения у
оси И-1. Прогоны опираются на деревоклееные верхние пояса радиальных
ферм, которые работают на изгиб в двух направлениях, кручение (от нор¬
мальных усилий внецентренно закрепленных прогонов) и на осевое сжатие.
При этом, вследствие работы ферм Ф1 в качестве распорки вантовой сис¬
темы, в их верхних поясах возникает дополнительное нормальное усилие.
Расчетное усилие сжатия в верхних поясах ферм Ф1 составило ~4650 кН, а
в ферме Ф2 ~1520 кН.
Полукольцевая стальная балка также испытывает изгиб в двух плоско¬
стях, кручение и осевые усилия растяжения/сжатия. В виду сложной рабо¬
ты составной сварной балки ее сечение запроектировано с повышенным
запасом прочности: максимальное расчетное напряжение в балке не пре¬
вышает 170 МПа, при расчетном сопротивлении стали 305 МПа.
Устойчивость прогонов обеспечивает профилированный настил, а ус¬
тойчивость верхних поясов ферм (в том числе изгибно-крутильную) —
прогоны, связи в плоскости покрытия и вертикальные связевые фермы,
расположенные в пределах высоты верхних поясов ферм.
Максимальное расчетное усилие растяжения в ванте — 4000 кН, соот¬
ветствующая стрела провиса до 64 мм. Проверка прочности стального ка¬
223

ната выполнялась по СНиП 2.05.03-84*:
N. = 4000 < Л^А — = 0,5Ndh =4110 кН,
И	1т
где: Ndh — минимальное разрывное усилие; т\ = 0,8 — коэффициент усло¬
вия работы; ут = 1,6 — коэффициент надежности.
Усилия от 19 вант, поддерживающих покрытие стадиона, через оголо¬
вок передаются на две многозвенные оттяжки. Максимальное расчетное
растяжение в оттяжке составило 46 000 кН, соответствующая стрела про¬
виса 90 мм. Ввиду разницы длин звеньев (находящихся в поле допусков на
геометрические размеры при изготовлении), определенной натурными за¬
мерами, при симметричной нагрузке на покрытии отличие усилий в оттяж¬
ках не превышало 5 %. При несимметричной нагрузке эта разница состави¬
ла 12 % при коэффициенте запаса многозвенной оттяжки и их анкеровки,
равным 1,6.
Оси вант центрированы в одной точке оголовника пилона. Центры осей
оттяжек расположены на горизонтальной линии, проходящей через точку
центрирования вант и лежащей в плоскости А-образной опоры. Вследствие
неравномерной работы оттяжек опора испытывает изгиб в двух плоскостях,
кручение и сжатие. Максимальные/минимальные расчетные напряжения в
элементах А-образной опоры составили (+107,1)/(—212,6) МПа. Макси¬
мальные сжимающие усилия в оголовке — 118 600 кН, в «ногах» пилона —
67 450 кН, растяжение в затяжке 17 000 кН. Для креплений элементов опо¬
ры и оттяжек к основанию применены болты-шарниры, что обеспечило
простоту и надежность узла соединения (в том числе при больших растяги¬
вающих усилиях), снижение влияния осадок опор на работу конструкции за
счет повышения статической определимости системы.
Перемещения элементов покрытия: максимальные прогибы от норма¬
тивных нагрузок после снятия с временных опор с учетом снеговой нагруз¬
ки — 708 мм, максимальные прогибы от нормативных сезонных климати¬
ческих нагрузок — 271 мм.
4.2.3.	Численное моделирование работы системы
на эксплуатационные нагрузки [4.5]
Расчеты выполнены с использованием программного комплекса
«ANSYS» (США), сертифицированного Госатомнадзором. Для поверочных
расчетов использовали вычислительные комплексы SCAD Office (Украина)
и Stark ES (Россия). Расчет проводился в упругой стадии в геометрически
нелинейной постановке с учетом работы ряда стержневых элементов толь¬
ко на растяжение или сжатие (ванты, оттяжки, связи); контактных элемен¬
тов, позволяющих учитывать трение. Общее число элементов — 24 100,
узлов — 18 800, неизвестных — 96 600.
Для создания окончательной модели было просчитано и проанализиро¬
вано более 50 вариантов схем, в которых оптимизировались жесткостные,
224

прочностные и геометрические параметры. В расчетах были использованы
подпрограммы на встроенном языке APDL с заданием исходных данных в
параметрическом виде.
Трехмерная модель (рис. 4.18) включала конструкции собственно по¬
крытия, Л-образного пилона с оттяжками и центральную железобетонную
опору. Расчетная схема сооружения была максимально приближена к рабо¬
те реальной конструкции. Учитывались эксцентриситеты в узлах сопряже¬
ния элементов, шарниры и условные шарниры (уменьшение жесткости в
узле), упругая податливость свайного основания под центральной железо¬
бетонной опорой.
Рис. 4.18. Компьютерная модель покрытия
В расчетах проанализированы варианты схем без учета и с учетом рабо¬
ты профилированного настила как диска покрытия. Профлист заменялся
условными крестовыми связями, сечение которых определяли расчетом на
сдвиг каждой ячейки, включающей профлист, прогоны и участки верхних
поясов ферм.
Ванты моделировались стержнем, работающим только на растяжение.
Нелинейная зависимость жесткости вант от усилий растяжения учитыва¬
лась приведенным модулем упругости, который определялся расчетами
вант как гибких нитей. Эти величины проверялись по методике фирмы
«Фрейссине». Расчеты выполнялись с учетом предварительного натяжения
вант на усилия, соответствующие 70 % собственного веса покрытия. Вели¬
чины предварительного натяжения вант были подобраны из условия их
равномерного включения в работу для уменьшения вертикальных переме¬
щений системы и исключения отрыва покрытия от временных опор.
При моделировании оттяжек было рассмотрено два варианта. В первом
оттяжки заменялись стержнем, работающим только на растяжение, а во
15 Заказ 1067
225

втором оттяжки заменялись цепью, у которой каждое звено представляло
собой изгибаемый элемент, соединенный с другим звеном элементом с
очень малой жесткостью. В узлах опирания ферм Ф2 на колонны по оси
Г-1, а также Л-образной опоры на центральную железобетонную опору был
применен контактный элемент с заданным коэффициентом трения.
В основном расчете рассмотрены следующие схемы нагружения: посто¬
янная нагрузка (собственный вес несущих и ограждающих конструкций),
технологическая нагрузка, снег (3 варианта), температурные воздействия.
Для корректного сбора нагрузок применен специальный элемент (SURF
154). Выполнены расчеты с учетом влияния разности длин оттяжек, кото¬
рая определялась как сумма неравномерных осадок опор, неравномерной
выборки зазоров в звеньях оттяжек, до¬
пусков на изготовление.
Для определения собственных частот
конструкции проведены модальные рас¬
четы с учетом напряженного состояния
системы при разных вариантах ее загру-
жения. В результате получены формы
колебаний и частоты, которые учитыва¬
лись для расчета на пульсационную со¬
ставляющую ветровой нагрузки.
Наряду с общими расчетами были вы¬
полнены расчеты МКЭ наиболее слож¬
ных узлов: опирание ферм Ф2; оголовок
A-образной опоры (рис. 4.19); пересты¬
ковка звеньев оттяжек, узел анкеровки
звеньев оттяжек в железобетонном фун¬
даменте и т. д. В этих расчетах учитыва¬
ли: начальные несовершенства геомет¬
рии, контактную задачу; физическую и
геометрическую нелинейность.
4.2.4.	Численное моделирование монтажа конструкций покрытия
Большое значение для обеспечения несущей способности сооружения и
проектной геометрии покрытия представляли решения, принятые в ППР.
В составе рабочего проекта отдельным разделом были выпущены основные
требования к организации работ по монтажу несущих металлоконструкций
(оттяжек, распорок и вант), а также по раскружаливанию (снятию с вре¬
менных опор) покрытия и организации геодезического контроля на время
монтажа.
На этом этапе были решены следующие задачи: определение способа
и последовательности раскружаливания оттяжек для равномерного вклю¬
чения их в работу после снятия с временных опор; учет возможной раз¬
ницы длин оттяжек; расчет усилий натяжения вант, определение порядка
и числа этапов натяжения; определение требуемой величины хода дом¬
Рис. 4.19. Компьютерная модель
оголовника A-образной опоры
226

кратов на временных опорах при раскружаливании покрытия с учетом
возможных снеговых нагрузок. При этом учитывалось, что увеличение
числа этапов усложняет монтаж, но повышает точность натяжения вант
до заданной величины с учетом падения в них усилий при натяжении по¬
следующих вант.
Эти задачи решались с использованием пространственной компьютер¬
ной модели. При определении способа раскружаливания покрытия учиты¬
вались результаты исследования физической модели покрытия, проведен¬
ного в ОАО ЦНИИС [4.24]. Наиболее сложными для расчета оказались
следующие три стадии монтажа:
-	включение в работу многозвенных цепных элементов оттяжек. Опреде¬
ление максимальной величины хода домкратов на каждом шаге опуска¬
ния цепей и оптимизация очередности опускания домкратов;
-	предварительное натяжение вант. Расчет пошагового натяжения каждой
ванты с анализом изменения усилий в соседних вантах, по результатам
которого разрабатывалась программа натяжения. В процессе натяжения
вант проводились уточняющие расчеты;
-	раскружаливание покрытия. Моделирование пошагового опускания по-
лукольцевой балки на домкратах, что позволило отслеживать и анали¬
зировать весь процесс.
§ 4.3. Изготовление и монтаж конструкций
4.3.1.	Изготовление конструкций
Изготовление металлических конструкций [4.3]. Перед ЗАО «Ас¬
социация Сталькон», была поставлена задача, изготовить несущие конст¬
рукции покрытия общей массой 3725 т в течение шести месяцев. При этом
производство осуществлялось в условиях параллельного проектирования.
Первый комплект чертежей КМ (разработчик ГУП МНИИП «Моспроект-4»)
был передан в производство в середине мая 2003 г., а последний — в сен¬
тябре того же года. Основная часть стальных элементов была изготовлена
на Челябинском заводе металлических конструкций (ЧЗМК).
Специалисты «Ассоциации Сталькон» на стадии проектирования актив¬
но участвовали в принятии технических решений, обеспечивающих сокра¬
щение сроков возведения сооружения, за счет максимальной технологич¬
ности изготовления и монтажа металлоконструкций при обеспечении их
высокой надежности. Технологические решения разрабатывались одновре¬
менно с выпуском чертежей КМД. Учитывая сложную геометрию покры¬
тия, была создана компьютерная трехмерная модель сооружения с деталь¬
ной проработкой узлов, а для наиболее сложных элементов, таких как ого¬
ловок А-образной опоры, изготовлены макеты.
Значительное количество крупногабаритных узлов и деталей (оттяжки
А-образной опоры, анкерные устройства, оси, элементы вантовой систе¬
мы и т. п.) изготавливалось с механической обработкой с соблюдением
жестких машиностроительных допусков. Использование тол стол истового
15*
227

проката из сталей высокой прочности потребовало применения особых
технологических режимов, специального инструмента и оснастки. Для
обеспечения собираемости конструкций на монтаже сборку элементов
проводили в кондукторах, а механическую обработку (фрезерование тор¬
цов, расточку и сверление отверстий) в готовых заваренных и выправлен¬
ных конструкциях.
Наиболее сложным было изготовление элементов центральной Л-образ-
ной опоры и двух многозвенных оттяжек из стали С390 марки ЮХСНДА-
3-2 по ТУ14-1-5120-92 с дополнительными требованиями к листовому про¬
кату (ГОСТ 19903-74*) по точности изготовления, способу выплавки, со¬
держанию вредных примесей, ударной вязкости, сплошности листа [4.14].
Для элементов центральной опоры из листов толщиной 50 мм были изго¬
товлены сварные вальцованные трубы 02500 мм и высотой 1430 мм с до¬
полнительной калибровкой стыковой поверхности. Для сокращения трудо¬
емкости монтажных работ на заводе их собирали в отправочные марки
(рис. 4.20, а) длиной 11,5 м, массой до 42 т (8 блоков), а оголовок башни
был собран в блок массой 57 т (рис. 4.20, б, в). Стыковые швы этих элемен¬
тов выполняли с полным проваром и 100 % ультразвуковым контролем.
Сложным было и изготовление крупногабаритных деталей «цепи» оттяжек
(рис. 4.20, г, д) длиной до 9,7 м, толщиной до 400 мм и массой до 19,6 т, в
которых выполнялись отверстия диаметром 531 ±0,6 мм.
Стальные элементы ферм изготовлены из бесшовных горячедеформи-
рованных труб 0203 и 168 мм по ГОСТ 8731-87 группы В из стали 20 по
ГОСТ 1050-88*. Узлы сопряжения решетки и нижнего пояса этих ферм
прошли контрольную сборку, что позволило в условиях монтажной пло¬
щадки обеспечить 100 % сходимость всех отверстий под высокопрочные
болты.
Заводская сварка многослойных швов выполнялась различными спосо¬
бами (каскадом, горкой), с предварительным подогревом до 150-480 °С, с
последующей проверкой физическими методами. Большое количество
сварных соединений элементов с разделкой кромок в объемных узлах
сложной геометрии потребовало разработки индивидуальных технологиче¬
ских карт. На различных стадиях сборки деталей проводились промежу¬
точные операции по проверке геометрических размеров и контролю свар¬
ных швов ввиду дальнейшего закрытия к ним доступа.
Опорные шарниры центральной Л-образной опоры и оси цепных оття¬
жек диаметром от 160 до 530 мм были изготовлены на заводе тяжелого
машиностроения (ЗТМ) в г. Электростали. Учитывая уникальность и ответ¬
ственность сооружения, на заводе провели несколько экспериментальных
плавок сталей с испытанием образцов по всей толщине заготовок. В крат¬
чайшие сроки была разработана специальная технология термической и
механической обработки деталей.
Все металлоконструкции проходили входной контроль по комплектно¬
сти, качеству защитного покрытия, отсутствию внешних дефектов.
228

Рис. 4.20. Изготовление металлических конструкций:
а — фрагмент цилиндрического элемента центрального пилона; б, в — сборка оголовника
пилона; г — звено цепной оттяжки
Выбор фирмы по изготовлению и поставке канатов (вант) был вы¬
полнен на основании тендера с анализом технических показателей по мате¬
риалам, представленным фирмами: «BRIDON», «Freyssinet», ОАО «Волго¬
градский сталепроволочно-канатный завод», «BENCO». Предложения оце¬
нивались по следующим параметрам: прочность и жесткость вант,
эффективность антикоррозионной защиты, простота монтажа, опыт реали¬
зации значимых проектов, в том числе в России.
Анализ выявил техническое преимущество для данного объекта канатов
фирмы «Freyssinet» [4.27]. Они обладают наибольшей несущей способно¬
стью и модулем упругости при прочих равных условиях. Нарезка канатов
по месту позволяет максимально учесть возможные отклонения от проекта
по геометрии поверхности покрытия, неизбежно возникающие при изгото¬
влении и монтаже большепролетных конструкций. Сборка по месту кана¬
тов из отдельных прядей небольшого диаметра упрощает монтаж, исклю¬
чает необходимость использования тяжелого подъемно-транспортного
оборудования. Фирма «Freyssinet» имеет многолетний опыт поставки
вант для разнообразных проектов во всем мире, включая Россию. Их из¬
делия сертифицированы в ведущих лабораториях стран Европейского
сообщества.
229

Основные недостатки канатов фирм «BRIDON» и «BENCO» для данного
объекта: фиксированная длина изделий с минимальной возможностью ее
регулировки по месту, необходимость использования на монтаже тяжелого
подъемно-транспортного оборудования. В комплекте поставки «Волгоград¬
ский сталепроволочно-канатный завод» отсутствовали анкерные устройст¬
ва, которые необходимо было изготавливать на других заводах, канаты
имели пониженные показатели прочности и модуля упругости, на строй¬
площадке необходимо было организовывать процессы по предварительной
вытяжке каната, установке и заливке на концах вант анкерных устройств.
Изготовление деревоклееных конструкций [4.29]. Дерево — эколо¬
гически чистый материал, характеризуемый малым удельным весом при
относительно высокой прочности. Современные составы био- и влагозащи-
ты древесины гарантируют ее долговечность. Огнестойкость массивной
клееной древесины обеспечивается покрытием их вспенивающимися со¬
ставами. В России в последние годы открыто несколько предприятий, спе¬
циализирующихся на производстве несущих деревоклееных конструкций.
С учетом изложенного выше было принято решение об их использовании в
покрытии ККЦ в Крылатском. Проектирование этих конструкций выпол¬
нено в ЦНИИСК им. Кучеренко [4.5, 4.25, 4.26].
Деревоклееные элементы в основном были изготовлены в г. Королеве
(ЗАО «160 ДСК Стройконструкция-2»), часть прогонов — на Волоколам¬
ском заводе, металлические опорные узлы и закладные детали к ним — на
заводе мостовых конструкций в г. Чехове Московской области. Использо¬
ваны специальные стапели (разметочные и кантовочные), позволяющие
сплачивать элементы длиной до 25 м, а также кондукторы для точного
сверления и установки закладных деталей.
Укрупнительная сборка металлодеревянных ферм. Сборку ферм
выполняли на стапелях в два этапа. На первом этапе компоновали верхние
пояса ферм, устраивали стыки поясов, выверяли их геометрию. Верхний
деревоклееный пояс собирался из трех элементов, снабженных в заводских
условиях закладными деталями, стыковался в кондукторах с помощью
резьбовых шпилек и заливки полимербетоном. К закладным деталям верх¬
него пояса фермы приваривали стальные фасонки для крепления подкосов,
по торцам устанавливали стальные опорные элементы. Укрупнительную
сборку деревоклееных конструкций проводила фирма ЗАО «СМФ ТВТ
Стройинвест». Собранные блоки поясов длиной до 25 м перекладывали на
специальный прицеп и перевозили непосредственно к месту монтажа.
На втором этапе проводили сборку ферм и подготовку их к монтажу.
Работы проводила фирма «Стальмонтаж-Оптим». Использование сборно¬
разборных вертикальных стапелей (рис. 4.21) позволило на ограниченных
площадях вести одновременно сборку нескольких ферм. Здесь на высоко¬
прочных болтах собирали нижние пояса и раскосы из труб, объединяли
блоки верхних поясов, к фасонкам которых на сварке присоединяли эле¬
менты решетки и нижних поясов, проводили окончательную доводку дере¬
вянных поясов, шлифовку и отделку загрязненных мест. На поясах уста¬
230

навливали такелажные приспособления и оттяжки для подъема ферм. Мес¬
та закрепления хомутов для строповки ферм определяли по результатам
расчета на монтажные нагрузки с учетом конструкции стыков. На этапе
укрупнительной сборки очень важным был контроль выполнения работ по
сварке и заливке полимербетона.
Рис. 4.21. Сборка и монтаж деревометаллических ферм Ф2
4.3.2.	Монтаж конструкций
Монтаж металлических конструкций покрытия [4.2, 4.16] выпол¬
нен ОАО «Стальмонтаж-Оптим» с привлечением 1-го МСМУ ОАО
«Стальмонтаж» и МУ-25 ОАО «Спецстальконструкция». ППР на монтаж
покрытия разработан Днепропетровским филиалом ЗАО НПФ «Укрспец-
монтажпроект».
231

Для сокращения сроков монтаж конструкций покрытия выполнялся од¬
новременно на нескольких участках (захватках). При этом обеспечивалась
устойчивость сооружения в целом и отдельных его частей в процессе мон¬
тажа. Укрупненные блоки 19 временных опор под полукольцевую балку
монтировали на болтах, выверяли в плане и по высоте и закрепляли к бе¬
тонному полю анкерами «HILTI». На опоры устанавливали 4 пакета листов
из фторопласта и нержавеющей стали для обеспечения скольжения по этим
плоскостям при раскружаливании конструкции. На временных опорах мон¬
тировали 18 элементов полукольцевой балки на болтах М20 (рис. 4.22). В
процессе монтажа выполнялся геодезический контроль положения каждого
элемента и полукольцевой балки в целом, которые были определены про¬
ектом КМ.
Рис. 4.22. Система временных опор под центральное полукольцо
Монтаж металлодеревянных ферм проводили специальными траверса¬
ми для обеспечения равномерной подвески ферм в четырех точках и со¬
блюдения геометрии верхнего пояса длиной 50 м (рис. 4.23). Фермы Ф1
(более тяжелые) монтировали двумя кранами с использованием двух тра¬
верс, а монтаж «легких» ферм Ф2 выполнялся одним краном с применени¬
ем трех специальных траверс. До монтажа ферм были установлены и
232

оформлены детали их крепления к железобетонной плите центральной
опоры (шарнирные узлы для Ф1); и на наружных железобетонных колон¬
нах (скользящие опоры для Ф2). Узлы крепления осуществляли на сварке с
последующей подливкой бетоном. Расстроповка смонтированных ферм
выполнялась после установки и натяжения двух пар временных оттяжек,
обеспечивающих устойчивость ферм из их плоскости. Фермы Ф1 крепили к
фасонкам полукольцевой балки на высокопрочных болтах; а фермы Ф2 —
шарниро к рамке, приваренной к верху балки. По мере установки ферм
монтировали горизонтальные и вертикальные связи и прогоны (все узлы на
сварке). Горизонтальные связи из круглой стали диаметром 36 мм предна-
прягали талрепами.
Рис. 4.23. Подъем деревометаллических ферм
Монтаж Л-образной опоры с оттяжками выполнило 1-е МСМУ
АО «Стальмонтаж» [4.2]. Собрана А-образная опора общей массой 530 т;
на временных опорах смонтированы и раскружалены распорки и много¬
звенные оттяжки с заданной стрелой провиса. Сложность работ заключа¬
лась не только в установке крупногабаритных элементов на проектную
отметку, но и фактически в отладке сложного многошарнирного меха¬
низма, обеспечивших жесткие требования проекта к геометрии системы
на каждом этапе монтажа с включением в работу отдельных элементов
конструкции в определенном порядке. Для этого была разработана мето¬
дика поэтапной сборки с использованием специальной технологической
оснастки.
233

а)
б)
Монтаж блоков Л-образной
опоры (массой до 42 т) и звеньев
оттяжек (массой до 20 т) выпол¬
нялся на временных опорах (об¬
щей массой 320 т). При монтаже
«ног» Л-образной опоры были
обеспечены их прямолинейность и
необходимый угол наклона, точ¬
ная подгонка сварных стыков,
проектная геометрия стыковочных
узлов до отм. 57,8 м. Завершаю¬
щим этапом был монтаж оголовка
массой 57 т с последующей уста¬
новкой и сваркой 19 ребер для
крепления вант (рис. 4.24, а, б, в).
После установки нижних шарни¬
ров Л-образной опоры (рис. 4.25)
она была отклонена от вертикали
на 120 мм.
в)
234
Рис. 4.24. Монтаж центральной опоры (пилона):
а, б — общие виды; в — фрагмент

Рис. 4.25. Узел крепления ног пилона. Цилиндрические шарниры
Следующий этап работы — монтаж оттяжек — выполняли сверху вниз
для выборки зазоров в звеньях цепи. Временные опоры использовались как
стапель для сборки и предотвращали передачу массы оттяжек на оголовок
Л-образной опоры (рис. 4.26, а, б, в). После омоноличивания якорей оття¬
жек производили натяжение вантовой системы с одновременным раскру-
жаливанием оттяжек с помощью специальных скользящих опор (рис. 4.27).
Работы выполнялись круглосуточно при любых погодных условиях. В мес¬
тах производства работ сооружали тепляки. Контролировались все стыки
монтажных сварных соединений, 100 % стыковых и тавровых — физиче¬
ским методом УЗК.
Монтаж вант. Фирма «Фрейссине» осуществляла шефмонтаж вант-
подвесок [4.27]. Ванты собирали на монтажной площадке из прядей
(стальной канат диаметром 15,7 мм) общей массой 55 т на оборудовании,
переданном в аренду этой фирмой. Монтаж вант осуществлялся на трех
участках.
1-	й участок — на отм. 0,00 выполняли подготовительные работы: раз¬
мотка с барабана пряди, нарезка его по размеру (10 типоразмеров), мар¬
кировка и хранение в стеллажах-гребенках; подготовка концов прядей
(снятие оболочки ПХВ и обрезка специальным инструментом 6 из 7 про¬
волок каната).
2-	й участок — на кровле здания проводили монтаж пластиковой обо¬
лочки вант диаметром 160 мм: подача краном на кровлю труб и оборудова¬
ния; сварка из труб оболочек вант на всю длину; разноска готовых оболо¬
чек по местам монтажа, установка сигнальной пряди в оболочку; подъем
235

236
Рис. 4.26. Монтаж оттяжек от пилона:
общие виды; в — узел крепления оттяжек к оголовнику

237
Рис. 4.27. Общие виды центральной опоры с оттяжками и вантами

а)
%
оболочки с сигнальной прядью на
Л-образную опору; устройство
двух постов с оборудованием для
монтажа и натяжения вант; уста¬
новка приспособления для изона¬
тяжения вант с последующей пе¬
рестановкой.
3-й участок — на А-образной
опоре осуществляли монтаж пря¬
дей: установка на отметке +64,800
двух комплектов оборудования
для монтажа (протягивания) пря¬
дей в оболочку ванты, соединение
зажимом-куплером проволоки
диаметром 5 мм для протягивания
с прядью, пропуск каната-пряди
через верхнее фиксированное ан¬
керное устройство, заделка цангой
конца пряди в анкер и подача ко¬
манды на 2-й участок на ее натя¬
жение (рис. 4.28, а, б, в).
«)
238
Рис. 4.28. Монтаж вант:
а — сборка ванты из отдельных прядей (тросов); б, в — ванта в сборе

При натяжении изменяется расстояние между анкерами прядей и соот¬
ветственно усилия в них. Для обеспечения равенства усилий в каждой пря¬
ди ванты их натяжение осуществлялось с помощью запатентованной
«Фрейссине» системы изонатяжения (рис. 4.29):
-	первая прядь закрепляется в специальном анкере, снабженном динамо¬
метрическим датчиком, постоянно указывающим величину усилия на¬
тяжения, другой конец пряди заводится во второй анкер. Прядь натяги¬
вается на расчетное усилие;
-	в анкерном блоке устанавливается и натягивается вторая прядь. Натя¬
жение также осуществляется монопрядным домкратом, снабженным та¬
ким же динамометрическим датчиком, как и у первой пряди. При натя¬
жении второй пряди натяжение в первой уменьшается и операция за¬
канчивается, когда показания обоих датчиков выравниваются, после
чего вторая прядь закрепляется в постоянном анкерном блоке;
-операция повторяется вплоть до последней пряди данной ванты, при
этом усилия натяжения всех прядей оказываются одинаковыми. По¬
следнее показание датчика фиксируется.
Рис. 4.29. Процесс изонатяжения ванты
239

Всего было установлено 19 вант, состоящих из 31 пряди длиной около
80 м. Монтаж и натяжение вант вели симметричными парами в последова¬
тельности и на усилия, заданные проектом (рис. 4.30). Были определены
три этапа натяжения вант с контролем в них усилий. На первом этапе на¬
тяжение выполняли при монтаже прядей вант на 50 % от расчетных уси¬
лий, второй этап — на 70 %, третий этап осуществляли после раскружали-
вания покрытия. Монтаж вант, натяжение и контроль усилий выполняли на
оборудовании фирмы «Фрейссине» при техническом содействии специали¬
стов фирмы, которые также осуществляли установку антирезонансных
амортизаторов и герметизацию анкерных устройств. Работы по монтажу
вантовой системы велись в суровых зимних условиях без перерывов.
Раскружаливание покрытия. На этой стадии выполнялось поэтапное
натяжение вантовой системы; раскружаливание покрытия с включением в
работу вантовой системы, А-образной опоры и оттяжек. После набора же¬
лезобетонными опорными конструкциями 70 % прочности был осуществ¬
лен 1-й этап натяжения вант. Далее последовательно сверху вниз выпол¬
няли плавное раскружаливание наклонных оттяжек пилонов. Опускание
выполнялось поэтапно шагом 50 мм с использованием винтовых домкра¬
тов, установленных в узлах опирания звеньев. Обеспечивались проектная
геометрия и симметрия правой и левой оттяжек для одновременного
включения их в работу. Перемещения середины оттяжек составили 600
мм по горизонтали и 300 мм по вертикали. После раскружаливания оття¬
жек выполнен контроль фактических величин усилий натяжения вант и
240

координат контрольных точек для анализа их соответствия проектным
данным. На основании анализа этих результатов проведен второй этап
натяжения вант.
Раскружаливание покрытия и передача нагрузок на ванты выполнялись
с помощью гидравлических домкратов, установленных на временных опо¬
рах под полукольцевой балкой. В процессе работ осуществлялась страхов¬
ка домкратов наборными подкладками. Опускание (до зазора между опо¬
рой и конструкцией покрытия не менее 5 мм) производили со скоростью 10
мм/мин шагами, при которых разница в перемещениях на двух соседних
опорах не превышала 50 мм. Для контроля усилий во временных опорах
замерялись опорные реакции. После полного раскружаливания (вертикаль¬
ные перемещения покрытия составили 350-5-380 мм) между верхом домкра¬
та и полукольцевой балкой оставили страховочный зазор в 10 мм. В таком
положении конструкцию выдержали в течение суток, затем демонтировали
временные опоры.
На стадии проектирования рассматривался и другой вариант раскружа¬
ливания покрытия путем его поднятия натяжением вант. Предлагалась сле¬
дующая схема: определение фактической опорной реакции во временной
опоре; изонатяжение вант на усилие, зависящее от этой реакции; оконча¬
тельное натяжение ванты, с использованием регулировочной гайки, до
полного отрыва от временной опоры. Однако эксперимент на физической
модели, проведенный в ЦНИИС [4.24], показал, что наиболее эффективным
методом раскружаливания данного покрытия является опускание времен¬
ных опор на домкратах.
По результатам компьютерного моделирования были разработаны таб¬
лицы координат и перемещений концов вант, проектных усилий в вантах
на каждом этапе раскружаливания с учетом общей податливости сооруже¬
ния. Для определения расчетной величины хода домкратов при раскружа-
ливании была подобрана эквивалентная равномерно распределенная на¬
грузка, которая составила 2,11 кН/м2. Эту нагрузку уточняли по результа¬
там замеров усилий в домкратах на временных опорах.
На стадии монтажа выполнялся мониторинг состояния несущих конст¬
рукций. Геодезическими методами (фирма «Юстас») фиксировались коор¬
динаты 29 контрольных точек (на полукольцевой балке в местах крепления
вант, на оголовке А-образной опоры, в шарнирных узлах оттяжек, на опо¬
рах и т. д.), определялись стрелы провиса оттяжек, осуществлялся контроль
хода домкратов. Замеры перемещений проводились на каждом этапе рас¬
кружаливания покрытия. Фирма «Фрейссине» проводила замеры усилий в
вантах. Специалисты ЦНИИСК им. Кучеренко вели тензометрический кон¬
троль напряженного состояния основных несущих конструкций покрытия.
Сравнительный анализ вертикальных перемещений контрольных точек
полукольцевой балки и усилий в вантах по результатам расчетов на ком¬
пьютерной модели (Моспроект-4), испытаний физической модели (ОАО
ЦНИИС) и натурных замеров («Юстас» и «Фрейссине») приведен на
рис. 4.31 и 4.32.
16 Заказ 1067
241

Номера точек (в местах крепления вант)
Рис. 4.31. График вертикальных перемещений контрольных точек полукольцевой
балки после раскружаливания покрытия:
I — по расчету ГУП МНИИП «Моспроект-4»; 2 — по результатам испытания модели;
3 — на основании геодезической съемки
Рис. 4.32. График усилий в вантах после раскружаливания покрытия:
1 — по расчету ГУП МНИИП «Моспроект-4»; 2 — по результатам испытания модели;
3 — на основании замеров фирмы «Фрейссине»
Монтаж покрытия был завершен в ноябре 2003 г., до наступления холо¬
дов. Огнезащитная и декоративная отделка деревянных конструкций про¬
водилась под крышей. Общий объем монтажа металлоконструкций покры¬
тия составил около 4000 т, деревянных клееных конструкций — 1487 м3,
временных конструкций по ППР — 1145 т. Все работы были выполнены в
период с мая 2003 г. по февраль 2004 г. и сданы Госкомиссии с первого
предъявления.
242

§ 4.4. Научно-техническое сопровождение проектирования,
изготовления и монтажа несущих конструкций
Уникальность и ответственность сооружения (уровень ответственности
1 по ГОСТ 277751-88), применение нестандартных проектных решений,
материалов, конструкций потребовали выполнения комплекса работ по
научно-техническому сопровождению проектирования, изготовления и
монтажа несущих конструкций для повышения качества сооружения, обес¬
печения его высокой долговременной эксплуатационной надежности в те¬
чение длительного срока [4.6]. Учитывались сжатые сроки разработки про¬
екта и возведения сооружения.
Задачами работы являлись:
-	разработка «Технического задания» и «Специальных технических усло¬
вий» на проектирование (ГУП МНИИП «Моспроект-4», ЦНИИСК);
-	модельные аэродинамические испытания сооружения и разработка ре¬
комендаций по назначению отсутствующих в нормах климатических
нагрузок (Институт механики МГУ, ЦНИИСК);
-	проведение и анализ результатов статических и динамических расчетов
конструкции (ГУП МНИИП «Моспроект-4», ЦНИИСК);
-	научно-техническое сопровождение рабочего проектирования с разра¬
боткой и согласованием всех основных узлов и деталей сооружения
(генпроектировщик — ГУП МНИИП «Моспроект-4», ЦНИИСК);
-разработка рекомендаций по применению сталей нового поколения,
технический контроль качества применяемых материалов (ЦНИИСК);
-	разработка технических условий, технический контроль и приемка ме¬
таллоконструкций на стадии изготовления и монтажа (ЦНИИСК);
-	испытание натурных узлов сопряжения верхнего деревоклееного пояса
с подвесками и раскосами (ЦНИИСК);
-	испытание и сертификация стальных канатов фирмы «Фрейссине»
(ОАО ЦНИИС, ЦНИИСК);
-	проведение мониторинга состояния несущих конструкций на всех эта¬
пах монтажа (ЦНИИСК);
-исследования крупномасштабной модели на различные комбинации
нагрузок, включая монтажные воздействия (раскружаливание), для вы¬
явления действительной работы сооружения (ОАО ЦНИИС).
4.4.1.	Научно-техническое сопровождение проектирования
«Техническое задание» и «Специальные технические условия» на
проектирование включали ряд специальных требований, учитывающих
уникальность сооружения и его социальную значимость, исходные данные
и особые условия строительства, расчетные значения постоянных, клима¬
тических и технологических нагрузок на покрытие, требования по приме¬
нению опытно-конструкторских и исследовательских работ в процессе
проектирования и строительства. Они вводили дополнительные, более по¬
вышенные требования, не входящие в имеющиеся нормативно-технические
16*
243

документы по изготовлению, монтажу и приемке стальных конструкций,
устанавливали основные положения показателей качества, а также методы
их контроля.
Разработка вариантов конструктивных решений [4.8, 4.10]. На
стадии «Проект» были рассмотрены и проанализированы (см. раздел 4.2.1)
различные конструктивные решения (стальной решетчатый купол, мем¬
бранное покрытие, пространственная конструкция из деревянных арочных
ферм и т. д.). В рамках принятого технического решения (пространственная
система покрытия из комбинированных деревометаллических ферм, под¬
вешенная с помощью вант к пилону с оттяжками) предложены и исследо¬
ваны схемы с различной компоновкой несущих конструкций в плане, рас¬
положением стоек-пилонов и вант.
Научно-техническая помощь при рабочем проектировании заклю¬
чалась в консультативном участии при разработке и расчетах основных
конструкций. Большое внимание было уделено компоновке несущих эле¬
ментов, анализу их работы в составе системы, проработке отдельных узлов
и деталей.
При проектировании системы пилон—оттяжки, определяющей общую
несущую способность покрытия, принимались во внимание различные
факторы. Исходя из конструктивных требований, необходимо было обес¬
печить максимальную жесткость элементов при минимальном их количе¬
стве. Из архитектурных соображений, с целью выполнения максимально
компактных узлов и деталей, использовалась высокопрочная сталь. Аль¬
тернативное тросовое решение оттяжек оказалось менее жестким и более
дорогим.
Был проведен тщательный многофакторный анализ при определении
рационального количества оттяжек пилона. В проекте верх металлического
Л-образного пилона раскреплен двумя наклонными оттяжками, запроекти¬
рованными в виде отдельных звеньев из пакета стальных листов, объеди¬
ненных шарнирами. Рассмотрение вариантов с увеличенным количеством
оттяжек показало следующее. Повышается степень неравномерности
включения оттяжек в работу, при этом возрастает расход металла, увеличи¬
ваются затраты на изготовление и монтаж. Большое количество оттяжек
практически невозможно надежно закрепить в оголовнике пилона. Здесь
важно отметить, что эта конструкция и так усложнена примыканием 19
канатов, на которых вывешено покрытие. Существующий опыт проектиро¬
вания и строительства подтверждает оптимальность включения в работу
таких конструкций именно двух оттяжек (стадион в Мюнхене, ряд стадио¬
нов в Японии, стадион «Локомотив» в Москве, мостовые сооружения).
В то же время большее количество оттяжек увеличивает общую надеж¬
ность системы в случае отказа одного из элементов. Для предотвращения
аварийных ситуаций было принято решение нижние части оттяжек обето¬
нировать на высоту 4 м. Кроме того, расчет пространственной модели на
нормативные нагрузки с выключением из работы одной из оттяжек пока¬
зал, что и в этом случае разрушения здания не происходит.
244

Ввиду отсутствия динамических нагрузок и воздействий на покрытие, в
соответствии со СНиП Н-23-81* «Стальные конструкции» (табл. 20*, при¬
мечания п. 1, а также п. 13.19*), продольные горизонтальные связи по ниж¬
ним поясам ферм не требуются. Это решение дополнительно обосновано
расчетами сооружения на различные сочетания нагрузок как единой про¬
странственной системы с учетом геометрической нелинейности. Выявлено
существенное ухудшение работы основных несущих элементов конструк¬
ции при установке этих горизонтальных связей. Для подтверждения приня¬
того решения были выполнены расчеты с приложением к нижнему поясу
ферм узловых горизонтальных нагрузок до 10 кН.
Тщательно прорабатывались и согласовывались все основные конструк¬
тивные узлы сопряжения элементов: двух деревометаллических ферм с
кольцевой стальной балкой и тросами подвесок; оголовка пилона с оттяж¬
ками и подвесками; опирание пилона на железобетонное основание; оття¬
жек пилонов с железобетонным фундаментом; шарнирные узлы сопряже¬
ния отдельных звеньев оттяжек; узлы тросовых подвесок и т. д.
Проведение и анализ результатов статических и динамических
расчетов конструкции [4.8, 4.10]. Надежность конструктивных решений
подтверждена анализом расчетных схем, оценкой принятых сочетаний на¬
грузок и воздействий, методов и средств выполнения расчетов; результатов
статических и динамических расчетов на прочность и устойчивость про¬
странственной системы сооружения в геометрически нелинейной поста¬
новке с применением двух независимых современных вычислительных
комплексов; сопоставлением теоретических данных с экспериментальны¬
ми, полученными на физической модели; численным моделированием ра¬
боты отдельных узлов и деталей (цилиндрические шарниры, узлы подве¬
сок, опоры пилона и т. д.).
4.4.2.	Разработка рекомендаций по климатическим нагрузкам
Ветровые нагрузки [4.20]. Покрытие сооружения имеет сложную по¬
верхность, для которой в [1.14] не приводятся значения аэродинамических
коэффициентов. Поэтому для их назначения использованы результаты мо¬
дельных испытаний, проведенных в аэродинамической трубе Института
механики МГУ, а также подходы, принятые в некоторых зарубежных нор¬
мативных документах [1.22,4.30,4.31, 4.32].
На рис. 4.33 показано распределение аэродинамических коэффициентов
внешнего давления (се) по поверхности покрытия при направлении дейст¬
вия ветра под углом 0° и 180° по отношению к оси симметрии сооружения.
Результаты аэродинамических испытаний показали, что эти направления
являются расчетными, с максимальными величинами ветрового давления.
Аэродинамический коэффициент внутреннего давления (с,) принимался
равным ±0,2, где знак «+» или «-» выбирался из условия наиболее небла¬
гоприятного сочетания нагружения. Считалось, что при эксплуатации со¬
оружения суммарная площадь открытых и одновременно открывающихся
проемов не превышает 5 % от общей площади ограждающих конструкций.
245

Рис. 4.33. Распределение аэродинамического коэффициента се по поверхности
покрытия:
а — d = 0 град.; б — d = 180 град.
Усилия и перемещения от действия пульсационной составляющей вет¬
ровой нагрузки определялись численным динамическим расчетом соору¬
жения или отдельных элементов ограждения (остекление, вентилируемые
фасады) с использованием соответствующих методик расчета [4.21] и про¬
граммных комплексов.
При проектировании элементов крепления ограждающих конструкций
учитывалась сила трения иу, а также пиковое (максимальное по абсолют¬
ной величине) положительное и отрицательное давление ветра. Каждое из
этих воздействий определялось как сумма их средних и пульсационных
составляющих.
Для всех элементов вертикального ограждения положительное давление
ветра принималось равным +0,5 кПа. Распределение отрицательного дав¬
ления ветра по покрытию показано на рис. 4.34, их расчетные значения для
различных участков (рис. 4.35) вертикального ограждения (фасадов) опре¬
делялись следующим образом: w = -0,75 кПа для участка «А»; w = -0,4 кПа
для участка «В»; w = -1,0 кПа для участка «С». Сила трения му= 20 Па учи¬
тывалась для элементов крепления покрытия.
Рис. 4.34. Распределение отрицатель¬
ного давления ветра по покрытию
Рис. 4.35. Положение участков А, В, С
вертикального ограждения
246

Снеговые нагрузки [4.17] Покрытие по своим архитектурно-конструк¬
тивным параметрам относится к уникальным сооружениям и не соответст¬
вует данным, приведенным в [1.14]. Поэтому при назначении снеговых на¬
грузок вероятность возможного превышения их расчетных значений прини¬
малась выше, чем для обычных сооружений, как это предусмотрено в [1.6].
Расчетный вес снегового покрова (ВСП) земли по рекомендациям
ЦНИИСК им. Кучеренко был принят равным 1,80 кПа, при этом был учтен
коэффициент надежности по ответственности [1.14], равный 1,1. В расче¬
тах снеговые равномерно распределенные нагрузки были приняты равными
1,80 х 1,1 =2,0 кПа (при коэффициенте перехода от ВСП земли к снеговой
нагрузке на покрытие р= 1), теоретическая повторяемость которых близка
к 50 годам.
Форма покрытия ККЦ не имеет аналогов, поэтому возникла необходи¬
мость разработки специальных рекомендаций по назначению неравномер¬
ных снеговых нагрузок. Неблагоприятные схемы отложения снега на по¬
крытии выявлялись путем продувки модели сооружения в аэродинамиче¬
ской трубе Института механики МГУ имени М.В. Ломоносова. Модель
выполнена в масштабе 1:200. Продувки модели проводили при воздушном
потоке, нормальном к оси симметрии сооружения и под углами 45° и 90° к
ней, а также в противоположном главному фасаду направлении.
Рассмотрим результаты продувок при направлении «ветра» перпендику¬
лярно к фасаду сооружения. На рис. 4.36, а показана модель покрытия с на¬
несенной на одну половину древесной мукой, размещенной поперек ветрово¬
го потока (справа налево); на рис. 4.36, б — та же модель после воздействия
ветра. Видно, что снос модельного материала произошел с левой части по¬
крытия (с заветренной стороны), в то время как на правой части модели по-
Рис. 4.36. Модель покрытия с нанесенной на одну половину древесной мукой,
размещенной поперек ветрового потока (справа налево), до и после продувки
247

крытия сноса «снега» практиче¬
ски не было. Неравномерность
в распределении «снега» в рас¬
сматриваемом случае опреде¬
лялась, по-видимому, влияни¬
ем козырька, приподнятого по
внешнему контуру примерно на
1,8 м над покрытием и создаю¬
щего вблизи козырька и за ним
зону значительной турбулент¬
ности. Неравномерность «сне-
гоотложений» для этого случая
принята с коэффициентами р =
= 1,1 и (i = 0,9 (рис. 4.37, а).
При «ветре», направленном в
противоположную сторону, от¬
мечен снос «снега» с заветрен¬
ной стороны покрытия, сохра¬
нение его на наветренной сто¬
роне и повышенная плотность
возле заветренного козырька.
В целом характер «снегоотло-
жений» можно оценить как об¬
ратно симметричный первому
случаю со значениями коэффи¬
циентов ц, равными соответст¬
венно 1,1 и 0,9 (рис. 4.37, б).
При направлении «ветра» под
углом 45° к фасаду «снег» за¬
держивается в зоне козырька
даже с наветренной стороны, а
вне этой зоны происходят снос модельного материала с наветренной части
покрытия примерно до оси симметрии и частичное перераспределение его
на заветренной части (рис. 4.37, в) с коэффициентами р" = 0,8 и р'з = 1,2.
Учитывая, что при значительном сносе «снега» с наветренной стороны по¬
крытия на заветренной стороне он остается, в расчете предусмотрели схему
со сносом «снега» на части покрытия (р = 0) и сохранением его на завет¬
ренной стороне (р = 0,8).
При направлении «ветра» поперек покрытия, как и в предыдущем слу¬
чае, отмечено интенсивное сдувание «снега» с наветренной стороны и со¬
хранение его с заветренной. Учитывая относительно небольшие уклоны
покрытия в рассматриваемом направлении, возможная неравномерность в
«снегоотложениях» оценена, как и в предыдущем случае, коэффициентами
р'з и р"3 по III варианту (рис. 4.37, в).
а)
II вариант
Рис. 4.37. Три схемы распределения нерав¬
номерных снегоотложений на покрытии
(коэффициент р)
248

При моделировании наблюдались повышенные отложения «снега» в зо¬
не козырька покрытия. Ширина зоны таких отложений составляла порядка
двух «вылетов» козырька и была принята равной 15 м. Схема «снегоотло-
жений» и коэффициенты р приняты по рис. 4.38.
Возможный «профиль» снегоотложения
Pi =1,0
7 м
7 м
Рис. 4.38. Схемы распределения неравномерных снегоотложений
на козырьке покрытия (коэффициент р)
4.4.3.	Научно-техническое сопровождение изготовления
и монтажа несущих металлических конструкций
Разработка рекомендаций по применению сталей нового поколе¬
нияу технический контроль качества применяемых материалов
[4.14]. При изготовлении ответственных металлических конструкций была
применена толстолистовая сталь высокой прочности 10ХСНДА по ТУ 14-
1-5120-92 с ат > 390 Н/мм2, толщиной 20, 30, 40 и 50 мм с требованиями
более жесткими, чем для наиболее ответственных конструкций группы 1 по
[2.32].
Сталь 10ХСНДА представляет собой усовершенствованную, с точки
зрения рабочих свойств и экономических показателей, хромоникелевую
сталь 10ХСНД [4.15], которая в последние 10 лет применяется в уникаль¬
ных конструкциях по предложению ЗАО «Ассоциация Сталькон» и
ЦНИИСК им. Кучеренко [2.21, 3.12]. Новая сталь содержит меньшее коли¬
чество никеля и хрома (без ущерба для рабочих свойств); она микролегиру-
ется ниобием или ванадием, но, главное, содержит на порядок меньше, чем
в обычных низколегированных сталях, вредных примесей (сера, фосфор) и
газов благодаря освоению Орско-Халиловским металлургическим комби¬
натом (ОХМК) технологий ковшевой металлургии и специальных устано¬
вок «печь—ковш». Высокая чистота, в том числе по вредным примесям,
обеспечила высокий уровень Z-свойств проката.
Прокат был изготовлен на ООО «Уральская сталь» (ОХМК), выплавку
производили в 100-тонных электропечах, очистку жидкого металла от
249

вредных примесей осуществляли на установках «печь—ковш», прокатку
толстых листов вели по поперечной схеме на стане «2800». Прокат по¬
ставляли после термического улучшения (закалка в воду в закалочных
прессах от 930 °С с последующим высокотемпературным отпуском в
проходных печах).
Качество проката контролировалось по многоступенчатой схеме: на
ОХМК, на Челябинском ЗМК, в лабораториях ЦНИИСК им. Кучеренко.
Выявлено, что стальной прокат с ат > 390 Н/мм2 обладает комплексом не¬
обычно высоких рабочих свойств: высокая однородность прочностных ха¬
рактеристик; высокая пластичность 65 > 25 %, что позволило изготовить
трубы диаметром 2,5 м с толщиной стенки 50 мм методом холодной валь¬
цовки без ущерба для эксплуатационной надежности конструкций; высокое
сопротивление хрупким разрушениям на уровне новейших достижений
мировой практики.
Комплекс высоких рабочих свойств обусловлен термическим улучше¬
нием толстых листов на комбинате, а также высокой чистотой металла по
вредным примесям. Этот результат достигнут совершенствованием метал¬
лургических процессов на новых установках «печь—ковш». Стальные лис¬
ты были поставлены с высокой степенью сплошности, с улучшенной гео¬
метрией. Все данные, зафиксированные в сертификатах качества и удосто¬
веренные при контрольных исследованиях, свидетельствовали о хорошей
свариваемости проката, что подтверждено при изготовлении и монтаже
конструкций. При проверке нормативных и расчетных сопротивлений про¬
водился статистический анализ массива данных приемо-сдаточных испы¬
таний на металлургическом комбинате. Полученные результаты позволили
поставить вопрос об обеспечении в сталях нового поколения требований по
KCV"60 > 5CR60 Дж/см2, что соответствует наиболее высоким зарубежным
нормам.
Разработка технических условий, технический контроль и при¬
емка металлоконструкций на стадии изготовления и монтажа:
-	«Технические условия» содержали повышенные требования по изготов¬
лению, монтажу и приемке стальных конструкций и устанавливали ос¬
новные положения показателей качества конструкций и применяемых
материалов, а также методов их контроля;
-	технический контроль качества проката на стадии поставки и проведе¬
ние дополнительного контроля на ЗМК, контрольные испытания в ак¬
кредитованных лабораториях ЦНИИСК им. Кучеренко;
-	технический контроль и приемка металлоконструкций на стадии изго¬
товления и монтажа (подготовка конструкций к монтажу, их укрупни-
тельная сборка, установка, выверка, преднапряжение, закрепление, ана¬
лиз результатов технического контроля, выводы о соответствии нормам,
проекту и «Техническим условиям»);
-	контроль и приемка монтажных болтовых (подготовка контактных по¬
верхностей и метизов, сборка соединений на высокопрочных болтах с
250

контролируемым натяжением, проведение приемочного контроля каче¬
ства болтов и герметизации в каждом из соединений) и сварных (подго¬
товка и условия использования электродов, организация рабочих мест,
подготовка кромок, сборка элементов, проведение предварительного
подогрева, условия и последовательность наложения швов, проведение
контроля качества) соединений;
-	испытание и сертификация стальных канатов фирмы «Фрейссине»;
-	консультативное участие в разработке ППР.
4.4.4.	Научно-техническое сопровождение проектирования,
изготовления и монтажа металлодеревянных ферм покрытия
Проектирование. Исследования, проведенные в ЦНИИСК им. Куче¬
ренко, выявили эффективность линзообразных металлодеревянных ферм
[4.25]. Особенность ферм состоит в конструктивных решениях узловых
соединений элементов по длине, конструкции узлов крепления стальных
элементов решетки, стыкам деревянных и металлических элементов опор¬
ных зон, конструкции узлов опирания и подвески ферм к вантам.
В элементах верхнего пояса для монтажных соединений предусмотрены
закладные детали с анкеровкой нового вида, равнопрочного с материалом
основного сечения — на наклонно вклеенных арматурных стержнях, все¬
сторонне исследованных в ЦНИИСК им. Кучеренко [4.19]. Пространствен¬
ный расчет покрытия показал, что в узлах присоединения стальных фасо-
нок к закладным деталям по нижней грани верхнего пояса усилия действу¬
ют в трех плоскостях, достигая значительной величины, и при этом они
могут менять знак в зависимости от сочетания нагрузок. Поэтому в этих
узлах использованы двухсторонние связи с V-образными вклеенными ан¬
керами. В сравнении с традиционными болтами или нагелями эти соедине¬
ния обеспечивают не только более высокую прочность, но и эксплуатаци¬
онную надежность при минимальном расходе стали.
Проблема разности требований точности изготовления и сборки метал¬
лических и деревянных элементов, а также плотности контакта стыкуемых
деревянных элементов решена заполнением полимербетоном зазоров в
стыках с применением стеклоткани. Такое решение для сжатых стыков
большепролетных крупногабаритных деревянных конструкций применя¬
лось впервые. Особую сложность представляли стыки деревянного верхне¬
го пояса со стальными пластинами и цилиндрическими шарнирами для
подвески к вантам и закрепления на центральной опоре. Вопросы предот¬
вращения образования конденсата, плотного контакта древесины и металла
в стыках также решены с помощью полимербетона.
Испытания натурных узлов сопряжения верхнего деревоклееного
пояса с подвесками и раскосами были проведены в ЦНИИСК им. Куче¬
ренко для проверки расчетных положений, исследования влияния мас¬
штабного фактора и характера распределения нормальных напряжений
сжатия в древесине по площади контактируемых поверхностей, посколь¬
251

ку в СНиП Н-25-80 «Деревянные конструкции. Нормы проектирования»
расчетные характеристики приведены для сечений высотой до 1 м. Экс¬
периментальные исследования проведены по специально разработанной
методике [4.23].
Для исследований был изготовлен натурный фрагмент опорной части
центрально-сжатого элемента фермы с 40 мм прослойкой полимербетона
между торцами древесины и опорными башмаками. Испытания проводи¬
лись в гидравлическом прессе мощностью 10 000 кН. Центрирование уси¬
лий и равномерность распределения напряжений по сечению достигались
шаровыми опорами и жесткостью траверс пресса. Для выявления действи¬
тельного напряженно-деформированного состояния узла использовались
индикаторы и тензорезисторы (около 100 шт.) базой 20 мм. Образец нагру¬
жался по трем схемам: I — непрерывное нагружение до расчетной нагрузки
4500 кН и разгрузка ступенями; II — повторное непрерывное нагружение
до 4500 кН и разгрузка; III — поэтапное нагружение до 10 000 кН и раз¬
грузка ступенями по 1000 кН.
Величина коэффициента надежности по [4.23] экспериментального об¬
разца составила * 2, что подтвердило соответствие теоретических предпо¬
сылок и опытных результатов. При максимальном сжатии 10 000 кН, пре¬
вышающем расчетную нагрузку в 2,2 раза, в опытном фрагменте не наблю¬
далось признаков разрушения, зависимость деформаций от нагрузки была
линейная, отсутствовали остаточные деформации. При расчетной нагрузке
нормальные напряжения сжатия не превышали расчетных сопротивлений
клееной древесины. Проведенные исследования подтвердили правильность
и надежность проектных решений по критериям прочности и деформатив-
ности, а также высокое качество изготовления ответственных узлов соеди¬
нений фермы.
4.4.5.	Экспериментальные исследования крупномасштабной модели
Исследования были проведены в лаборатории моделирования и испыта¬
ния конструкций ОАО ЦНИИС [4.24] с целью определения напряженно-
деформированного состояния конструкций в период их монтажа и эксплуа¬
тации. Масштаб модели — 1:50. Модель была выполнена из оргстекла,
вспененного и жесткого поливинилхлорида (ПВХ) и пленки: Л-образная
опора — трубки жесткого ПВХ, ванты из пленки толщиной 0,18 мм и ши¬
риной 10,3 мм (что позволило не только обеспечить жесткостное подобие,
но и наклеивать на ванты пленочные тензорезисторы для определения в
них усилий), вспененный ПВХ применили для изготовления верхних поя¬
сов ферм. Модель (рис. 4.39) в основном выполнили в полном геометриче¬
ском подобии натуре, жесткостные параметры элементов модели отлича¬
лись от теоретических не более чем на 5 %.
Испытания проводились на специальном стенде, обеспечивающем аб¬
солютную жесткость основания, с приспособлениями для нагружения мо¬
дели и крепления измерительных приборов. На модель было наклеено око¬
252

ло 400 тензорезисторов, установлено 27 электрических прогибомеров, по¬
зволяющих передавать информацию о работе модели в ЭВМ. Прогибы
ферм модели фиксировали прецизионным нивелиром с точностью 0,1 мм.
Результаты этих измерений заносились с голоса в ЭВМ, где после их обра¬
ботки определяли соответствующие значения перемещений, пересчитыва¬
ли их на натурный объект и выводили на дисплей в виде таблиц и эпюр.
При натяжении вант предполагалось, что при определенных усилиях про¬
изойдет отрыв полукольцевой балки от временных опор (раскружаливание
системы). Чтобы сигнализировать о моменте отрыва от временных опор,
которые также моделировались, устанавливались специальные электриче¬
ские сигнализаторы с выводом сигнала на специальное табло. Максималь¬
ная автоматизация исследований позволила контролировать поведение мо¬
дели на всех этапах ее работы и, при необходимости, вносить коррективы в
ход эксперимента.
Рис. 4.39. Общий вид модели
Испытания модели проводили в пять этапов, учитывались собственный
вес конструкций, раскружаливание покрытия, технологические и снеговые
(три схемы) нагрузки. Использовались отдельные грузы общим числом
более 1300. Для надежной и быстрой загрузки модели применялся дубли¬
рующий упрощенный макет.
Экспериментально был обоснован новый способ раскружаливания по¬
крытия, отличающийся от первоначального, позволивший упростить и
253

сократить время этой сложнейшей операции. При моделировании рас-
кружаливания путем натяжения вант провели не менее шести серий экс¬
периментов, которые показали неудовлетворительные результаты. Во-
первых, при натяжении каждой последующей ванты наблюдалось резкое
падение усилий в ранее натянутых. Во-вторых, при достижении в вантах
проектных усилий полукольцевая балка оторвалась лишь от половины
временных опор. Этого удалось достигнуть, только когда усилия в от¬
дельных вантах превышали расчетные в 1,5 раза. Экспериментально по¬
казано, что наиболее эффективным методом раскружаливания покрытия
является опускание временных опор, и для этого варианта была опреде¬
лена наиболее оптимальная последовательность действий. В процессе
раскружаливания реальной конструкции ОАО ЦНИИС проводил парал¬
лельные испытания и представлял результаты, полученные на физической
модели для каждого этапа.
В результате экспериментов были определены усилия в вантах, проги¬
бы и горизонтальные перемещения нижнего пояса, нормальные силы в
поясах и раскосах ферм; реакции в периметральных стойках; вертикаль¬
ные и горизонтальные перемещения, углы поворота, нормальные силы и
изгибающие моменты в сечениях полукольцевой балки; прогибы и на¬
пряжения в железобетонной плите центральной опоры; горизонтальные
перемещения оголовка А-образной опоры, усилия в ветвях пилона, от¬
тяжках, распорках и анкерных элементах А-образной опоры. Сравнение
параметров напряженно-деформированного состояния элементов конст¬
рукции, определенных численным методом и на физической модели, по¬
казало хорошую сходимость.
Все экспериментальные исследования, от получения чертежей до выда¬
чи отчета с результатами и выводами, заняли 5 месяцев.
4.4.6.	Мониторинг несущих конструкций на этапах монтажа
и эксплуатации сооружения [4.4]
В соответствии с существующим опытом возведения уникального
большепролетного сооружения с массовым скоплением зрителей был орга¬
низован и проведен мониторинг (наблюдение, контроль) технического со¬
стояния несущих конструкций в период их монтажа и последующей экс¬
плуатации. Цель работ — решение проблем надежности и безопасности,
обеспечение безаварийной работы сооружения путем натурных наблюде¬
ний за деформациями, осадками и перемещениями основных несущих кон¬
струкций и факторами, влияющими на них.
Мониторинг на стадии монтажа включал ряд этапов. Была создана еди¬
ная опорная и деформационная сеть для выполнения геодезических наблю¬
дений. Регистрировались нагрузочные факторы — собственный вес смонти¬
рованных несущих и ограждающих конструкций, этапы предварительного
натяжения подвесок, климатические нагрузки и воздействия (снег, темпе¬
ратура и т. п.). Проводилась исполнительная съемка контролируемых точек
254

на соответствие фактических и проектных параметров. Выполнялись циклы
наблюдений за деформациями основных несущих конструкций: опорных
узлов подвесок; вертикальных перемещений верхних поясов (на опорах и в
середине пролета) и горизонтальных перемещений нижних поясов дерево¬
металлических ферм; горизонтальных и вертикальных перемещений полу-
кольцевой балки, наружного опорного контура, оголовника пилона. Вы¬
полнялись наблюдения за осадочными марками на фундаментах, уделяя
особое внимание осадкам центральной опоры и периметральных стоек.
Контролировались основные узлы металлических конструкций, в том числе
сварные швы визуальными и дефектоскопическими методами, состояние
узлов и стыков деревометаллических конструкций в части деформаций,
биоповреждений, влажности древесины, состояния полимербетонных вста¬
вок. Проводился мониторинг напряженно-деформированного состояния
гибких вант, стальных конструкций крепления вант к полукольцевой балке,
стоек А-образной опоры и жестких оттяжек. Всего на основных несущих
конструкциях покрытия было установлено более 120 измерительных уст¬
ройств. Зимой 2004/05 г. проводилось измерение интенсивности и характе¬
ра распределения снега на покрытии.
На стадии монтажа мониторинг осуществлялся ежемесячно. На стадии
эксплуатации плановые инструментальные наблюдения за конструкциями
проводятся один раз в квартал, а внеплановые — перед крупными спортив¬
ными мероприятиями. Проведенные за это время наблюдения показали, что
техническое состояние основных несущих конструкций работоспособное;
фактические усилия и перемещения конструкций соответствуют расчетным
данным.
§ 4.5. Анализ результатов расследования причин
предаварийного состояния крытого конькобежного центра
22 ноября 2007 г. в 11.30 поступило сообщение о разрушении болта-
шарнира наклонной оттяжки, прикрепленной к оголовку пилона конструк¬
ции покрытия ККЦ. Эксплуатация ККЦ была приостановлена, эвакуирова¬
но около 170 человек (сотрудники и спортсмены), пострадавших не было.
Выполнены первоначальные противоаварийные мероприятия: под цен¬
тральным полукольцом установлены временные опоры (аналогичные ис¬
пользованным при монтаже), покрытие приподнято домкратами, за счет
чего снята большая часть усилий, передающихся на пилон и оттяжки.
Наклонная часть многозвенной оттяжки состоит из 7 элементов, кото¬
рые между собой соединяются болтами-шарнирами (осями). Размеры оси
— диаметр 528,5 мм, длина 1082 мм, материал — сталь марки 38XH3MA
по ГОСТ 4543-71. Ось изготовлена на ОАО «ЭЗТМ» (Электростальский
завод тяжелого машиностроения) в октябре 2003 г. Разрушился болт-
шарнир (ось П-5), соединяющий первое и второе звено наклонного участ¬
ка правой оттяжки на отметке 17 м. Первое звено выполнено в виде оди¬
255

нарного элемента сечением 450x400 мм, а второе — из двух частей сече¬
нием 450x200 мм каждая, набранных из листов толщиной 50 мм. По све¬
дениям очевидцев, разрушение сопровождалось резким, сильным звуком
и колебаниями оттяжек, в меньшей степени колебаниями других элемен¬
тов покрытия.
На основании визуального осмотра было установлено, что разрушение
произошло по сечению, перпендикулярному оси, примерно в четверти ее
длины, которая отлетела на расстояние около 8 м, а 3/4 оси остались в со¬
единении. Ось перекосило и заклинило, оттяжка повисла на одной ветви
второго звена с видимым ее искривлением.
Внешние условия, при которых произошла авария: температура воз¬
духа -4 °С, ветер юго-западный 3+6 м/с, снеговой покров практически
отсутствовал. Нагрузок и воздействий, не предусмотренных проектом,
так же как и нарушений правил технической эксплуатации сооружения,
не было. Работы в сооружении или вблизи него непосредственно перед
аварией (в том числе взрывы, забивка свай, рыхление грунта, подвеска
грузов к существующим конструкциям и т. п.) не проводились. Отсутст¬
вовали какие-либо признаки предаварийного состояния сооружения и
другие обстоятельства, которые могли способствовать началу или разви¬
тию аварии.
Фактические нагрузки. Ветровая нагрузка, соответствующая скорос¬
ти ветра, составила 0,05+0,22 кПа, что не превышает 20 % от расчетной
для условий г. Москвы. Снеговая нагрузка на покрытие практически отсут¬
ствовала, за исключением небольших участков с высотой снежного покро¬
ва 2+3 см. Она может быть принята равной нулю при расчетной величине
2,16 кПа. Фактическая (постоянная и технологическая) нагрузка составила
1,69 кПа, т. е. менее 40 % от суммарной расчетной нагрузки с учетом коэф¬
фициента надежности по ответственности — 4,40 кПа.
Анализ напряженного состояния конструкции на момент аварии.
С начала монтажа и в течение первых трех лет эксплуатации сооружения
ЦНИИСК им. Кучеренко проводил мониторинг состояния металлических
(включая вантовую систему), деревянных и железобетонных конструкций
покрытия ККЦ и осадок фундамента Л-образной опоры. По результатам
последних измерений, проведенных 13 и 14 ноября 2007 г., каких-либо не¬
проектных отклонений не обнаружено. В последнем (до разрушения оси)
цикле инструментального мониторинга усилие в наклонной части правой
оттяжки равнялось 19 610 кН, что составляет немного более 40 % от рас¬
четного усилия в оттяжке (46 250 кН).
При рабочем проектировании был проведен подробный расчет узла на
срез, смятие и изгиб по требованиям норм РФ и Eurocode, в том числе МКЭ
с применением объемных элементов, с учетом трения в шарнирном узле
(дополнительный крутящий момент). В расчетах выявлен почти трехкрат¬
ный запас прочности. Отверстия под болты-шарниры в звеньях оттяжки
выполняли на заводе в собранном состоянии с минимальными допусками.
256

Внутренняя поверхность отверстий шлифовалась. На монтаже цилиндриче¬
ские оси плотной посадки вставлялись в отверстие с использованием дом¬
кратов. Какие-либо непроектные концентраторы напряжений в шарнирном
узле отсутствовали.
В связи с аварийной ситуацией при Правительстве Москвы была созда¬
на техническая комиссия. Перед ней были поставлены следующие задачи:
провести обследование здания; проанализировать проектную и исполни¬
тельную техническую документацию; испытать образцы материалов; орга¬
низовать проведение экспертизы расчетов строительных конструкций; ус¬
тановить на основе анализа причины, вызвавшие предаварийную ситуа¬
цию; по результатам работы составить акт расследования. Разработана
программа работ, содержащая несколько этапов.
Превентивные мероприятия — запроектировать, согласовать, изго¬
товить и смонтировать временный съемный бандаж на аварийный узел и
временные опоры под центральное полукольцо и выставить его на домкра¬
тах. Съемный бандаж запроектировать с выверочными устройствами для
рихтовки узла и установки новой оси.
Для выявления причин разрушения узла и оценки фактического
состояния несущих конструкций было предусмотрено проведение сле¬
дующих мероприятий. Исследования металла аварийного болта-шарнира
(оси); проверка качества металла всех осей неразрушающими методами
контроля; геодезическая съемка контрольных точек и анализ результатов, в
том числе осадок фундаментной плиты центральной железобетонной опо¬
ры на работу конструкции; замеры усилий в вантах подвесок для оценки
фактического НДС системы; осмотр и актирование всех основных узлов и
несущих элементов; анализ результатов расчетов с учетом фактических
параметров системы; рассмотрение различных вариантов причин разруше¬
ния узла.
Мероприятия по восстановлению работоспособности и надеж¬
ности сооружения — разработка проекта замены (усиления) элементов
оттяжек, включающего следующие этапы производства работ:
-	навеска двух регулируемых страховочных вантовых оттяжек;
-	монтаж временных опор под каждую из существующих цепных оття¬
жек с достаточным зазором для установки домкратов и их раскружа-
ливания;
-снятие большей части усилий с каждой из 19 вант-подвесок фирмы
«Фрейссине» за счет их удлинения на 70 мм и поддомкрачивания полу-
кольцевой балки покрытия на временных опорах с высотой подъема,
определенной расчетами;
-	контролируемое натяжение страховочных вант-оттяжек;
-	выключение из работы с использованием винтовых домкратов на
временных опорах старых цепных оттяжек, их демонтаж и монтаж
новых;
-	раскружаливание покрытия по специальной программе.
17 Заказ 1067
257

Проведен комплексный анализ физико-механических свойств раз¬
рушенной оси: стандартные механические испытания металла на растяже¬
ние и ударную вязкость; определение химического состава; фрактографи-
ческое исследование излома; определение содержания водорода в металле;
оценка остаточных микро- и макронапряжений; оценка склонности к за¬
медленному разрушению; определение микроструктуры; оценка тонкой
структуры металла и состояния трещиновидных дефектов. Цель исследова¬
ний: оценка соответствия разрушенной оси требованиям ГОСТ 8479-70;
выявление причин разрушения оси; разработка рекомендаций по предот¬
вращению подобных разрушений. Исследования проводились в различных
организациях, занимающихся проблемами разрушения металлов и изделий
из них: ЦНИИСК им. Кучеренко, ФГУП ММПП «Салют», Петровский на¬
учный центр Российской академии ракетных и артиллерийских наук,
ФГУП «ЦНИИчермет им. Бардина», ОАО ЦНИИС, ОАО «Электросталь-
ский завод тяжелого машиностроения».
По результатам испытаний образцов металла из разрушенной оси сде¬
ланы следующие выводы. Причиной разрушения послужило хрупкое за¬
медленное разрушение (самопроизвольное разрушение при номинальных
напряжениях, меньших, чем расчетное сопротивление по пределу текуче¬
сти). Разрушение зародилось в осевой части детали от одной из внутренних
трещин, являющейся технологическим дефектом.
Факторы, способствующие замедленному хрупкому разрушению оси,
препятствующие развитию пластических деформаций и способствующие
разрушению стали: трещины и флокеноподобные дефекты, которые об¬
легчают зарождение разрушения и способствуют его распространению.
Отмечено существенное снижение характеристики вязкости по мере при¬
ближения к центру оси, на основе чего сделан вывод, что реальные уси¬
лия растяжения, вызвавшие разрушение оси, были в 5(Ь-100 раз меньше
стандартных характеристик прочности. Причина этих явлений — неопти¬
мальная микроструктура поковки (низкое содержание никеля), что приве¬
ло к недостаточной прокаливаемости в процессе закалки и возникнове¬
нию остаточных напряжений при высокотемпературном отпуске. Этому
типу разрушения способствовал и крупный размер поковки (диаметр
528,5 мм). Сопротивление распространению трещины было уменьшено
из-за наличия в осевой части трехосного напряженно-деформированного
состояния, препятствующего реализации пластических деформаций.
Большое влияние на распространение трещин оказало избыточное давле¬
ние водорода в трещине в результате его диффузии и молизации на внут¬
ренней поверхности трещины.
По результатам исследования сделан вывод, что наблюдаемый вид
разрушения вызван несоответствием металла оси требованиям ГОСТ 8479-
70. Аварийное разрушение реализовалось при одновременном действии
ряда неблагоприятных факторов. Принято решение конструкцию оттяжек
оставить прежней с заменой осей и установкой дополнительных вант-
258

оттяжек. Для изготовления новых осей из поковок рекомендовано разрабо¬
тать специальные технические условия с дополнительными требованиями к
ГОСТу, гарантирующими исключение опасности замедленного хрупкого
разрушения (предел текучести — 700 МПа, временное сопротивление —
850 МПа, ударная вязкость — KCV-40 > 34 Дж/см2, относительное удлине¬
ние — 55 = 20 %, твердость по Бринеллю — НВ 260). Режим термической
обработки устанавливается по согласованию изготовителя с заказчиком.
При контроле новых осей опасные трещиноподобные дефекты должны вы¬
являться методами акустической эмиссии. Дополнить систему постоянного
автоматизированного мониторинга, создаваемую на ККЦ, электромагнит¬
ным сканированием вант; приборами для диагностики металлических кон¬
струкций.
Одновременно рассматривался вариант замены цепных оттяжек
вантами «Фрейссине» при сохранении конструктивной и архитектурной
концепции. Предполагалось, что каждая из оттяжек должна состоять из
двух вант, сформированных из 169 прядей. Концевые анкера в нижней и
верхней части конструкции шарнирно крепятся к серьгам, присоединен¬
ным к существующим анкерным плитам. В месте сопряжения наклонной
и вертикальной частей оттяжки предусмотрено специальное отклоняющее
седло, в котором каждая прядь пропускается через изогнутую трубу для
обеспечения усталостной прочности ванты и непрерывности трех уровней
антикоррозионной защиты прядей. Сопоставительный анализ показал
преимущество первого варианта в виде многозвенной цепи с заменой
осей. В варианте с вантами сохранялась необходимость использования
двух пар осей из поковок, конструкция прикрепления вант к оголовнику
технически оказалась сложно осуществимой, этот вариант более подат¬
лив, чем принятый.
Литература к главе 4
4.1.	Бодрова О.Ю. Основная задача генерального подрядчика — организация ко¬
ординации и взаимоувязки всех строительных процессов на объекте // Мон¬
тажные и специальные работы в строительстве. - 2005. - № 3. - С. 26-27.
4.2.	Выговский А.Н., Старков В.Л., Рогов НА. Монтаж А-образной опоры по¬
крытия конькобежного центра // Монтажные и специальные работы в строи¬
тельстве. -2005. -№ 3. - С. 59-61.
4.3.	Галенчик А.Ф., Салащенко В.М. Изготовление металлоконструкций // Мон¬
тажные и специальные работы в строительстве. - 2005. - № 3. - С. 54-56.
4.4.	Горпинченко В.М., Егоров М.И. Мониторинг конструкций // Монтажные и
специальные работы в строительстве. - 2005. - № 3. - С. 71-72.
4.5.	Горпинченко В.М., Турковский С.Б., Погорельцев А.А., Экнадосъян И.Л.
Линзообразные металлодеревянные фермы покрытия // Монтажные и специ¬
альные работы в строительстве. - 2005. - № 3. - С. 43-48.
17*
259

4.6.	Еремеев П.Г. Научно-техническое сопровождение при проектировании, изго¬
товлении и монтаже металлоконструкций покрытия // Монтажные и специаль¬
ные работы в строительстве. - 2005. - № 3. - С. 28-30.
4.7.	Еремеев П.Г., Киселев Д.Б. Современные арочно-вантовые комбинированные
конструкции // Монтажные и специальные работы в строительстве. - 2005. -
№9.-С. 11-16.
4.8.	Кельман М.И., Титов А.В., Золотов П.Е. Несущие конструкции покрытия
над ареной // Монтажные и специальные работы в строительстве. - 2005. - №
З.-С. 8-15.
4.9.	Кулик Д.В., Одесский П.Д. Свариваемость сталей для металлических конст¬
рукций. - М.: Фортэ Арт, 2003. - 55 с.
Л АО. Ливший М.Я. Крытый конькобежный центр в Крылатском: проектирование и
строительство // Монтажные и специальные работы в строительстве. - 2005. -
№ 3. - С. 2-8.
4.11. Лившим М.Я. Крытый конькобежный центр в Крылатском // Промышленное и
гражданское строительство. - 2005. - № 1. - С. 45-47
А.М.Леппянен X., Бацын М.Я., Сундман Т. Расчетно-проектное обоснование со¬
оружения системы вентиляции и кондиционирования // Монтажные и специ¬
альные работы в строительстве. - 2005. - № 3. - С. 65-67.
4.13.	Мартиросов Г.М., Лазарев А.Д., Черняев Е.Н. Создание трещиностойкой
технологической плиты из самонапряженного железобетона // Монтажные и
специальные работы в строительстве. - 2005. - № 3. - С. 68-71.
4.14.	Одесский П.Д., Кулик Д. В. Применение в металлических конструкциях конь¬
кобежного центра сталей нового поколения // Монтажные и специальные ра¬
боты в строительстве. - 2005. - № 3. - С. 48-54.
4.15.	Одесский П.Д., Шабалов И.П., Кулик Д.В. Стали нового поколения произ¬
водства ОАО «НОСТА» Орско-Халиловского металлургического комбината
для сварных металлических конструкций ответственного назначения // Мон¬
тажные и специальные работы в строительстве. - 2003. - № 11. - С. 20-23.
4.16.	Останин И.Г. Монтаж покрытия конькобежного центра // Монтажные и спе¬
циальные работы в строительстве. - 2005. - № 3. - С. 56-59.
4.17.	Отставное В.А., Лебедева И.В. Снеговые нагрузки на покрытие // Монтаж¬
ные и специальные работы в строительстве. - 2005. - № 3. - С. 18-21.
4.18.	Петров Б.Н., Розентул А.М. Проектирование облицовки вентилируемых
фасадов // Монтажные и специальные работы в строительстве. - 2005. - № 3. -
С. 61-62.
4.19.	Погорельцев А.А., Экнадосъян И.Л. Влияние жесткости поясов и деформа-
тивности опорных узлов на распределение усилий в деревянных линзообраз¬
ных фермах // Строительный эксперт. - 2004. - № 11. - С. 17.
4.20.	Попов Н.А. Ветровые нагрузки, действующие на покрытие // Монтажные и
специальные работы в строительстве. - 2005. - № 3. - С. 16-17.
4.21 .Попов Н.А. Рекомендации по уточненному динамическому расчету зданий и
сооружений на действие пульсационной составляющей ветровой нагрузки. -
М., 2000.
4.22.	Пособие по определению пределов огнестойкости конструкций, пределов рас¬
пространения огня по конструкциям и групп возгораемости материалов (к
СНиП II -2-80). - М.: Стройиздат, 1985.
4.23.	Рекомендации по испытанию деревянных конструкций. - М.: Стройиздат,
1978.
260

4.24.	Тарасов А.М., Игнатьев Е.Г., Бобров Ф.Ю. Моделирование работы конст¬
рукций // Монтажные и специальные работы в строительстве. - 2005. - № 3. -
С. 21-25.
4.25.	Турковский С.Б. Разработка и экспериментальные исследования несущих де¬
ревянных конструкций на основе соединений с наклонно вклеенными связями.
- М.: Изд-во ЦНИИСК им. Кучеренко, 2001.
4.26.	Турковский С.Б., Погорельцев А.А. Создание деревянных конструкций систе¬
мы ЦНИИСК на основе наклонно вклеенных стержней. // Промышленное и
гражданское строительство. - 2007. - № 3. - С. 6-8.
4.27.	Турнер Стефан, Артюхов Б.Л. Вантовая система фирмы «Фрейссине» //
Монтажные и специальные работы в строительстве. - 2005. - № 3. - С. 62-63.
4.28.	Хеллан К. Введение в механизм разрушения. - М.: Мир, 1988. - 364 с.
4.29.	Шумилов Л.В. Деревоклееные конструкции в несущем каркасе // Монтажные
и специальные работы в строительстве. - 2005. - № 3. - С. 64.
4.30.	Eurocode 1: Basis design and action on structures. Part 2-4: Wind action. ENV
1991-2-4, CEN, 1994.
4.31.	Standard Australia. Minimum design loads on structures. Part 2: Wind Loads. Stan¬
dards Australia. - North Sydney, 1989.
4.32.	Air Recommendations for Loads on Buildings. Chapter 6. Wind Loads. Architectur¬
al Institute of Japan.

Глава 5
ПРИМЕРЫ ПРОЕКТИРОВАНИЯ И ВОЗВЕДЕНИЯ РЯДА
СОВРЕМЕННЫХ БОЛЬШЕПРОЛЕТНЫХ СООРУЖЕНИЙ
§ 5.1. Покрытие тренировочного футбольно-легкоатлетического
манежа Центрального стадиона в г. Казани
Здание многофункционального назначения с одновременным пребыва¬
нием до 1500 человек. Генпроектировщик — «Татинвестгражданпроект».
Несущие металлические конструкции: разработчики проекта — ООО «ГК-
ТЕХСТРОЙ» и ЦНИИСК им. Кучеренко, ППР — ПИ «Промстальконст-
рукция»; изготовитель — ЗАО «Интертрансстрой»; монтаж — ОАО МУ-25
«Спецстальконструкция».
5.1.1.	Конструктивная схема покрытия
Форма покрытия в плане — овал, включающий центральный прямо¬
угольный участок с двумя полукружьями по торцам. Основные размеры
покрытия в плане в осях 90,7* 178 м (рис. 5.1, 5.2). Несущие стальные кон¬
струкции большепролетного покрытия без промежуточных опор [1.1, 1.5]
состоят из однотипных элементов, расположенных параллельно шагом 9,7 м
в центральной части покрытия и радиально на закругленных торцах соору¬
жения (шаг около 12,95 м по периметру).
1 — прогоны, шаг 5,125 м; 2 — верхний сжатый пояс; 3 — кровля; 4 — нижний растянутый
пояс; 5 — распорки; 6 — растянутые связи (тяжи); 7 — опорные стойки
262

Рис. 5.2. Фасады
Основные несущие элементы представляют собой комбинированную
конструкцию — арочную ферму. Внешние нагрузки в такой системе вос¬
принимаются сжато-изогнутым верхним поясом — аркой и растянутым
провисающим нижним поясом-затяжкой, объединенных распорками. За
счет подбора стрел подъема и провиса поясов и их жесткостей комбиниро¬
ванная система внешне безраспорна.
Верхний пояс выполнен из сварного двутавра, имеет ломаное очерта¬
ние, состоящее из одинаковых прямолинейных участков, вписанных в ок¬
ружность. Провисающий нижний пояс — стальные полосы, объединенные
между собой шарнирами. Сжатые вертикальные стойки-распорки, объеди¬
няющие пояса, — сварные двутавры.
В уровне верхнего пояса основных несущих элементов шагом ~5,2 м
расположены прогоны для опирания кровли. Ортогональная (радиально-
кольцевая) система несущих элементов покрытия по всей верхней поверх¬
ности объединена связями из трубчатых элементов, образуя жесткий диск
покрытия. В плоскости нижних поясов в местах опирания стоек-распорок
установлены кольцевые тяжи.
В средней части покрытия расположено центральное ядро длиной 96 м,
шириной 8,7 м и высотой 10 м в виде пространственной стержневой конст¬
рукции, состоящей из поясов и стоек двутаврового сечения и связей, обес¬
печивающих пространственную жесткость системы. Центральное ядро ис¬
пользуется для замыкания однотипных несущих элементов средней и тор¬
цевых частей покрытия, а также для его монтажа (рис. 5.3). По периметру
покрытия расположен кольцевой консольный карниз, имеющий обратный
уклон, препятствующий сползанию снега с покрытия. В образуемой ендове
располагается обогреваемый лоток для приема дождевых и талых вод. Вы¬
лет консольного карниза 5 м.
Покрытие по периметру опирается на колонны, шаг которых соответст¬
вует шагу основных несущих элементов покрытия. Общая устойчивость со¬
оружения обеспечивается жестким диском покрытия и вертикальными свя¬
зями между колоннами. Они же обеспечивают восприятие горизонтальных
ветровых нагрузок. Все несущие конструкции из сварных двутавров выполне¬
ны из стали С345, трубы — из стали С20 с комплексной защитой от коррозии.
263

5.1.2.	Нагрузки и воздействия. Основные положения расчета
Форма покрытия манежа представляет собой поверхность, образован¬
ную двумя пологими полусферами, соединенными цилиндрическим сво¬
дом. Неблагоприятные схемы отложения снега на покрытии выявлены пу¬
тем моделирования сооружения в аэродинамической трубе «УНИКОН»,
г. Новосибирск. Модель сооружения выполнена в масштабе 1:300. Продув¬
ки модели проведены при воздушном потоке, направленном вдоль главной
оси симметрии сооружения и далее по кругу с шагом 45°.
Анализ данных о средних многолетних значениях повторяемости на¬
правлений ветра в зимний период, предоставленных Федеральной службой
России по гидрометеорологии и мониторингу окружающей среды г. Каза¬
ни, показал, что преобладающими направлениями зимних ветров являются
западное (20,2 %), юго-западное (22,4 %) и южное (17,2 %). Это означает,
что 60 % переноса снега по покрытию будет происходить в этих направле¬
ниях, способствуя возникновению неравномерных снегоотложений, причем
образование «снегового мешка» наиболее вероятно с восточной, северо-
восточной и северной стороны покрытия.
При проведении модельных испытаний сооружения учитывались рас¬
положение и размеры окружающей застройки (в том числе Центральный
стадион), которые были подобраны таким образом, чтобы структура потока
соответствовала местности типа В, характерной для условий г. Казани.
С учетом симметрии рассматриваемого комплекса сооружений на половине
поверхности модели здания было установлено 100 датчиков давления. При
этом 80 датчиков было расположено на внешней поверхности покрытия и
по 10 — на нижней поверхности карниза и на вертикальном ограждении.
Схемы распределения снеговых нагрузок и значения коэффициентов р,
полученные по результатам продувок, приведены на рис. 5.4. Значительной
неравномерности в снегоотложениях на покрытии не наблюдалось. Однако
наличие карниза по контуру покрытия изменило характер снегопереноса,
создавая вблизи него зону повышенной турбулентности. Кроме того, пере¬
носимый ветром снег может накапливаться в пониженной части покрытия.
264

Вариант 1
Вариант 2
Проект обоснован многовариантными расчетами с проработкой основ¬
ных несущих элементов и узловых соединений. Расчеты проведены на сле¬
дующие виды нагружений: постоянная нагрузка (собственный вес кровли и
металлоконструкций); технологическая нагрузка; снеговая нагрузка — 6
вариантов; ветровая нагрузка — 4 варианта; температурные воздействия —
2 варианта (лето и зима); неравномерная осадка опор.
Расчеты выполнены в ООО «ГК-ТЕХСТРОЙ» на программном ком¬
плексе «ANSYS». Расчетная схема представлена трехмерной стержневой
моделью, включающей конструкции покрытия (фермы, прогоны, горизон¬
тальные связи и ферму центрального ядра), конструкции колонн и верти¬
кальных связей. Для стержней, испытывающих значительный изгиб, вы¬
бран элемент пространственной рамы (3d балка), для остальных стержней
— элемент пространственной фермы (3d шарнирный стержень). Для моде¬
лирования связей применен элемент, работающий только на растяжение.
Для корректного сбора распределенных нагрузок был применен специаль¬
ный элемент (SURF 154). На начальных стадиях расчета была проведена
оптимизация, в результате чего подобраны и уточнены основные размеры
расчетной модели, жесткостные и прочностные характеристики сечений.
Расчет несущих конструкций выполнялся по пространственной схеме, всей
системы в целом — на различные сочетания нагрузок с учетом геометриче¬
ской нелинейности. Сечения элементов конструкции назначались с учетом
обеспечения их прочности, устойчивости и деформативности. При расчете
учтен коэффициент надежности по ответственности сооружения у„ = 1,15.
Рабочее проектирование выполнялось параллельно с разработкой ППР и
разделов, содержащих технические условия на изготовление и монтаж не¬
сущих металлических конструкций, устанавливающие основные положе¬
ния показателей качества и методов их контроля.
265

5.1.3.	Порядок монтажа несущих конструкций (рис. 5.5)
1.	Монтаж основных колонн, начиная от связевых блоков; установка
между колоннами ригелей и проектных связей; монтаж временных опор
под центральное ядро; сборка пространственной рамно-связевой системы
центрального ядра отдельными элементами длиной до 12 м.
2.	Сборка полуарок на проектной отметке на передвижных (перестав¬
ных) стендах, начиная от связевых блоков, одновременно минимум двух
полуарок, расположенных симметрично продольной оси сооружения. Вы¬
верка и выполнение проектных креплений опорных частей полуарок к ко¬
лоннам, а затем к центральному ядру.
3.	Симметричное раскружаливание двух пар полуарок связевого бло¬
ка. После перестановки подмостей монтировалась следующая после свя¬
зевого блока симметричная пара полуарок, устанавливались прогоны (без
затяжки болтов), выполнялось их раскружаливание, затем монтировались
связи, после чего затягивались высокопрочные болты крепления прогонов
и связей.
4.	Дальнейший монтаж арок, прогонов, связей и их раскружаливание
выполнялись в соответствии с п. 2 и 3.
5.	Раскружаливание всего покрытия за счет опускания временных опор
под центральным ядром и их демонтаж.
Стадии возведения сооружения показаны на рис. 5.6. На всех этапах
монтажа и раскружаливания конструкций выполнялся геодезический мо¬
ниторинг контрольных точек с анализом результатов натурных замеров и
ожидаемых расчетных величин.
Рис. 5.5. Принципиальная схема монтажа
266

Рис. 5.6. Стадии возведения сооружения
267

§ 5.2. Покрытие Ледового дворца спорта на Ходынке
Здание многофункционального назначения (хоккей, фигурное катание,
баскетбол, бокс, теннис, концерты, выставки) вместимостью 14 000 зрите¬
лей построено в Москве на Хорошевском шоссе [5.1]. Инвестор — Прави¬
тельство Москвы, заказчик — Гендирекция «ЦЕНТР» ОАО «Москап-
строй», генеральный подрядчик — концерн «Монарх». Проектная органи¬
зация — ГУП МНИИП «Моспроект-4» мастерская № 6, проект несущих
конструкций — ООО «ГК-ТЕХСТРОЙ», проект производства работ (ППР)
по монтажу металлоконструкций — Днепропетровский филиал ЗАО НПФ
УСМП. Монтаж металлоконструкций осуществляла фирма ОАО «Сталь-
монтаж-Оптим». Научно-техническое сопровождение проектирования, из¬
готовления и монтажа металлоконструкций — ЦНИИСК им. Кучеренко.
5.2.1.	Архитектурно-планировочные решения
Ледовый дворец спорта располагается в юго-восточной части Ходын-
ского поля с раскрытием на парк. Объемно-пространственное решение зда¬
ния определено общим градостроительным планом — проходы через квар¬
тал подхватываются широкими пандусами с навесами, спирально огибаю¬
щими основной объем здания и поднимающими зрителей на верхние
уровни. Здание выполнено в виде цилиндра высотой 50 м, имеющего шесть
надземных этажей и техподполье. Зал состоит из двух ярусов трибун и рас¬
положенного между ними яруса лож, огибающих арену по трехцентровой
кривой. Основные конструкции — железобетонный каркас. На стадии
«Проект» покрытие представляло собою два полукруга, наклоненных на¬
встречу друг другу (рис. 5.7). Большепролетное покрытие — провисающая
оболочка между двумя внешними железобетонными опорными полуколь¬
цами и центральным кольцом.
5.2.2.	Конструктивная схема покрытия
Несущая конструкция покрытия представляет собой висячую сетчатую
оболочку, состоящую из опорных колец, радиальных и кольцевых элемен¬
тов и крестовых связей. Стабилизация висячего покрытия обеспечивается
собственным весом конструкции и кровли, а также изгибно-жесткими ра¬
диальными и кольцевыми балками и связями. Покрытие в плане имеет
очертание, близкое к окружности 0109 м по внешней грани наружного
опорного контура.
На стадии «Проект» рассматривалось решение, в котором поверхность
покрытия была принята в виде двух частей сферического сегмента радиу¬
сом 198,2 м и высотой 7,9 м, разделенных по диаметру и повернутых друг
относительно друга вокруг центра вращения (по линии раздела) на угол 15
градусов (перепад высот 5,60 м). Образовавшаяся в результате поворота
частей сферы вертикальная дислокация была сглажена пологой винтовой
поверхностью с целью уменьшения нагрузки от снегового мешка (рис. 5.7).
В статическом отношении работа такой конструкции аналогична вися¬
чей оболочке с той разницей, что кольцевые балки и наружное опорное
268

кольцо работают в худших условиях из-за их перегиба в зоне дислокации.
При этом в зоне перегиба наружного опорного кольца возникает момент,
воспринимаемый парой сил с плечом, равным расстоянию между стенами
лестнично-лифтовых блоков. Для восприятия вертикальной составляющей
отрыва предполагалось установить якорные опоры с болтами-шарнирами
для обеспечения поворота сечения контура и его свободного радиального
перемещения. Это решение позволяло передать все радиальные усилия с
покрытия на наружный опорный контур, облегчить железобетонную кон¬
струкцию лестнично-лифтового блока и фундаментную плиту. Для воспри¬
ятия дополнительных усилий, возникающих в зоне перегиба кольцевых
балок покрытия, предусматривалась установка усиливающих ферм.
Подобную конструкцию покрытия, определенную архитектурным замыс¬
лом и не имеющую аналогов, можно признать удовлетворительной. Однако
экспертиза предложила изменить опорное кольцо, выполнив его плоским, без
дислокаций. Такое решение, при сохранении принципиальной конструктив¬
ной схемы, существенно упростило изготовление и монтаж покрытия.
Рис. 5.7. Макет манежа (вариант 1)
269

Основные несущие эле¬
менты пролетной конструк¬
ции покрытия (рис. 5.8) —
радиальные и кольцевые
элементы сварного двутав¬
рового сечения и кресто¬
вые связи из труб прямо¬
угольного сечения. Ради¬
альные элементы высотой
до 470 мм жестко прикре¬
плены к наружному и внут¬
реннему кольцам. Внутрен¬
нее кольцо сварного дву¬
таврового сечения высотой
1200 мм очерчено по ра-
Рис. 5.8. План покрытия с пандусами	диусу 10 м. Радиальные и
кольцевые элементы, опор¬
ные кольца выполнены из стали С390, связи — из стали С345-3. Наружное
опорное кольцо представляет собой сталебетонную конструкцию, состоя¬
щую из стального короба размерами 1,2 х 1,6 м (одновременно является же¬
сткой арматурой) и монолитного железобетона, воспринимающего в основ¬
ном сжимающие усилия. Наружное сжато-изгибаемое кольцо опирается на
нижележащие монолитные железобетонные конструкции через шаровые
сегментные подвижные опорные части, исключающие передачу всех гори¬
зонтальных усилий от покрытия, кроме сил трения в опорных частях. Дан¬
ный тип опорных частей разработан фирмой ОАО «ГИПРОТРАНСМОСТ».
С учетом внецентренного приложения вертикальной нагрузки конструкции
опорных частей обеспечивают коэффициент трения не более 5 % при тем¬
пературе свыше минус 10 °С. Этапы возведения сооружения показаны на
рис. 5.9.
Для предотвращения прогрессирующего обрушения, в случае разруше¬
ния наружного опорного контура, была предложена [5.2] дублирующая
система, состоящая из шпилек диаметром 90 мм и упоров, передающих
усилия с пролетной конструкции на железобетонный диск перекрытия на
отметке 38,800 и каркас трибун. Шпильки расположены в радиальном на¬
правлении шагом около 2,5 м. В стадии эксплуатации дублирующее кольцо
не включается в работу, что обеспечивается необходимым зазором между
упором и наружным опорным кольцом.
Авторами этого предложения утверждалось, что конструкция покрытия
«отличается большой живучестью». Попробуем от теории перейти к практи¬
ке [5.3]. Разрушение контура возможно вследствие террористических дейст¬
вий (взрыва). По мнению специалистов, для разрушения массивного контура
указанных выше размеров путем его подрыва потребуются тонны взрывчат¬
ки. Если из этой массы взрывчатки выделить сотню граммов для нескольких
расположенных рядом дублирующих шпилек, то декларируемая абсолютная
270

«живучесть» конструкции покрытия сводится к нулю. Понятно, что допол¬
нительные значительные затраты на предложенные мероприятия по увели¬
чению «живучести» покрытия бесполезны, а направление это тупиковое.
5.2.3.	Нагрузки и воздействия. Основные положения расчета
Расчеты были проведены на постоянные (от собственного веса кровли и
металлоконструкций), технологические, ветровые, снеговые (4 варианта)
нагрузки и температурные воздействия (2 варианта). Климатические на¬
грузки назначены по рекомендациям, разработанным специально для этого
объекта, на основании проведенных модельных исследований в аэродина¬
мической трубе. Для снеговых нагрузок учтено возможное местное скопле¬
ние снега за счет его переноса с максимальным коэффициентом распреде¬
ления р = 6. Согласно СНиП 2.01.07-85* расчетная снеговая нагрузка при¬
нята равной 180 кг/м2. Кроме того, как для уникального здания (пролет
271

свыше 100 м, новое конструктивное решение, увеличенный до 100 лет срок
эксплуатации), учтен коэффициент надежности по ответственности, приня¬
тый уп = 1,2.
Для определения напряженно-деформированного состояния несущих
конструкций выполнен пространственный расчет покрытия с учетом гео¬
метрической нелинейности. Расчеты выполнены по двум лицензионным
программам: программному комплексу ANSYS 9.0 и Robot 8.0 Millenium.
Пространственная модель сооружения, максимально аппроксимирующая
действительные условия работы конструкции, представляла собой систему
стержневых, плоских оболочечных и объемных элементов. Расчетная схема
конструкции покрытия представлена трехмерной стержневой моделью,
включающей: жесткие радиальные и кольцевые элементы, горизонтальные
связи, прогоны, опорные кольца. В расчетах учитывалось, что опорный кон¬
тур выполнен в виде комплексной конструкции (сталежелезобетонным). При
определении расчетных жесткостных характеристик приняты рекомендуе¬
мые НИИЖБ коэффициенты, определяемые неоднородностью бетона, что
увеличивает податливость опорного контура, его горизонтальные перемеще¬
ния, прогибы покрытия и соответственно перераспределение в нем усилий.
На начальных стадиях моделирования была применена технология оп¬
тимизации, в результате чего подобраны и уточнены основные параметры
расчетной модели, жесткостные и прочностные характеристики сечений.
Расчеты выполнены с учетом последовательности монтажа и раскружали-
вания покрытия. Выполнен расчет покрытия на устойчивость с учетом на¬
чальных несовершенств. Проведено значительное количество вариантов
расчета (более 100) на различные сочетания нагрузок и воздействий (более
10). Расчетные материалы подтвердили пространственную устойчивость и
неизменяемость системы, а также соответствующий коэффициент запаса
при различных схемах нагрузок и воздействий.
Для определения форм и частот собственных колебаний конструкции
покрытия реализован модальный расчет. Проведен динамический расчет
покрытия на действие пульсационной составляющей ветровой нагрузки (по
программному модулю, разработанному ЦНИИСК им. Кучеренко) и расчет
на особое сочетание нагрузок при сейсмическом воздействии, равном 6 бал¬
лам. При этом использовались акселерограммы сейсмического движения
грунта во время землетрясения 4 марта 1977 г., приведенные в МГСН 4.19-05.
Выполнен расчет покрытия на прогрессирующее обрушение с учетом
особых сочетаний нагрузок, включающих постоянные, временные дли¬
тельные нагрузки и отказ одного из элементов покрытия (опорные кольца,
жесткие нити, кольцевые прогоны, связи), в физической и геометрической
нелинейной постановке [5.2, 5.3]. Динамические воздействия моделирова¬
лись квазистатическим расчетом несущих конструкций покрытия на особое
сочетание нагрузок с коэффициентом динамичности Кд = 2. Кроме того, для
повышения устойчивости против прогрессирующего обрушения наружное
и внутреннее кольца запроектированы с дополнительным коэффициентом
условия работы ус = 0,85.
272

§ 5.3. Покрытие над трибунами стадиона «Труд»
в г. Подольске Московской области
Генеральный проектировщик — ООО «Архитектурное бюро А. Левин¬
сон и партнеры». Проект металлических конструкций выполнен в проект¬
но-изыскательском бюро ООО «СТРОЙТЕХПРОЕКТ» при участии
ЦНИИСК им. Кучеренко, проект производства работ (ППР) по монтажу
металлоконструкций — ООО «Монтажспецстройпроект», г. Днепропет¬
ровск, монтаж — ОАО МУ-22 «Спецстальконструкция».
5.3.1. Конструктивное решение
Две симметричные трибуны стадиона «Труд» (западная и восточная)
покрыты консольным навесом размерами в плане 39,615x172 м. Основной
конструктивный элемент — плоская рама, установленная с шагом 12 м,
которая включает железобетонную колонну и стальные конструкции: ри¬
гель переменного сечения из сварного двутавра с перфорированной стен¬
кой, вантово-стоечную систему подкрепления и оттяжку. Вылет консоли
над трибунами 29,1 м, расстояние от железобетонной колонны до оттяжки —
10,50 м. На стадии эскизных решений было рассмотрено несколько вариан¬
тов конструкции поперечной рамы (рис. 5.10). Варьировалась система ван¬
тово-стоечного подкрепления, возможность передачи усилий с консоли на
трибуны или на фундамент, а также включение в работу обратной оттяжки
от ригеля для восприятия ветрового отсоса. Более рациональная передача
усилий с элементов подкрепления консоли на конструкцию трибун в этом
объекте оказалась невозможной, так как ранее запроектированный каркас
трибун из сборного железобетона не был способен воспринять соответст¬
вующие усилия. Обратная страхующая оттяжка от ригеля исключала необ¬
ходимость устройства пригруза на консолях навеса для восприятия ветро¬
вого отсоса, но сокращала количество мест на трибунах, ухудшала обзор.
По результатам анали¬
за был принят вариант	1	2
(рис. 5.11) с разви¬
той системой вантово¬
стоечного подкрепле¬
ния, который позво¬
лил уменьшить усилия
в консоли и оттяжках.
На ригеле установле¬
ны две стойки: одна
(над железобетонной
колонной) высотой
7,0 м из сварного дву¬
тавра переменного се¬
чения, а другая (от¬
стоящая от первой на
Рис. 5.10. Варианты конструктивного решения
18 Заказ 1067
273

12 м в сторону поля) высотой 5,0 м из трубы 0219x8. Верх стоек соединен
с ригелем наклонными подвесками из парных вертикальных листов сече¬
нием 30x150 и 30x330 мм. Такое же сечение (30x330 мм) имеет вертикаль¬
ная оттяжка, заанкеренная в железобетонном фундаменте. Все соединения
элементов плоской рамы — жесткие.
Каждое из консольных покрытий разделено в продольном направле¬
нии на три блока двумя температурными швами. Ригели рам объединены
между собой в пространственную систему прогонами (шаг 3 м) из про¬
катных двутавров 40 Ш2 по СТО АСЧМ 20-93 и крестовыми горизон¬
тальными связями из квадратных труб по ТУ 36-2287-80. По прогонам
уложен профилированный настил Н60-845-1 по ГОСТ 24045-80, моно¬
литная железобетонная плита на легком заполнителе приведенной высо¬
той 75 мм и рулонная кровля. Устойчивость системы из плоскости несу¬
щих рам обеспечивается двумя рядами железобетонных распорок, жестко
(рамные узлы) связанных с железобетонными колоннами. Они же обеспе¬
чивают восприятие горизонтальных ветровых нагрузок и температурных
воздействий.
Железобетонные фундаменты вертикальных оттяжек с размерами в
плане 3x3 м и высотой 5 м армированы рамами из стальных прокатных
швеллеров по ГОСТ 8240-89. Отдельные фундаменты объединены в об¬
щий монолитный железобетонный ленточный фундамент сечением
4,0x6,0 (h) м, длиной 172,0 п. м. Колонны покрытия выполнены из моно¬
литного железобетона класса В30 с жесткой арматурой из трех двутавров
40Б1 по СТО АСЧМ 20-93, соединенных поперечными пластинами. База
колонн — из листового проката (горячекатаная сталь по ГОСТ 19903-74)
+25.932
+21.250
274

толщиной 60 мм, усиленного траверсой. Сопряжение базы колонны с
фундаментом — жесткое. Абсолютные отметки базы колонны 155,62 м,
верха колонны 175,3 м.
5.3.2.	Методика и результаты статических расчетов
В расчетах учтены следующие нагрузки: расчетная снеговая нагрузка
(2,0 кПа); ветровая нагрузка для I района (w0 = 0,23 кПа, тип местности
«А», коэффициент надежности yf= 1,4. Коэффициент динамичности пуль-
сационной составляющей определен по результатам расчетов на динами¬
ческие воздействия; постоянная нагрузка от веса ограждающей конструк¬
ции покрытия — 1,89 кПа; технологическая нагрузка на покрытие — 0,36
кПа; температурные воздействия — «+48 °С» и «-58 °С». Нагрузки от
собственного веса металлоконструкций учитывались при расчете автома¬
тически.
Выполнены многовариантные расчеты, на основании которых выбра¬
но наиболее рациональное конструктивное решение. Проведен анализ
прочности, устойчивости и пространственной неизменяемости конструк¬
ции. Расчет выполнялся в двух вариантах (как плоской рамы и как единой
пространственной системы) с использованием трех различных вычисли¬
тельных комплексов. Их использование позволило оценить степень гео¬
метрической нелинейности системы, определить динамические характе¬
ристики покрытия. Для оценки влияния жесткости железобетонных эле¬
ментов на работу системы расчеты выполнены’ с двумя значениями
модуля упругости бетона Еь. Моделирование узловых соединений с ис¬
пользованием пластинчатых и объемных конечных элементов позволило
учесть в расчетах узловые эксцентриситеты, вызывающие дополнитель¬
ные усилия в элементах покрытия.
Выполнены динамические расчеты покрытия. Для определения собст¬
венных частот элементов покрытия, коэффициента динамичности пульса-
ционной составляющей ветровой нагрузки, вероятности отрыва козырька
при действии ветровой нагрузки (отсос) выполнены расчеты при различ¬
ных комбинациях нагрузок и воздействий, в том числе с повышенными и
пониженными величинами постоянных и временных нагрузок. Модаль¬
ный анализ проведен с учетом статического нелинейного расчета. Уста¬
новлена необходимость выполнения по покрытию пригруза, что позволи¬
ло улучшить динамические характеристики системы, исключить отрыв
козырька. Выявлено, что принятые конструктивные решения элементов
исключают их резонансное вихревое возбуждение, аэродинамические
неустойчивые колебания типа галопирования и дивергенции.
5.3.3.	Принципиальная схема монтажа покрытия (рис. 5.12)
Монтаж металлоконструкций колонн и покрытия производился от свя-
зевого блока в следующем порядке:
- монтаж металлоконструкций колонн, их бетонирование, установка свя¬
зей между колоннами;
18*
275

276
Рис. 5.12. Этапы монтажа

-	укрупнительная сборка в кондукторах отправочных марок ригелей ко¬
зырька в блоки без первого со стороны поля элемента;
-установка блока на анкерные болты на оголовнике смонтированных
ранее колонн с проектным закреплением;
-	монтаж металлической стойки над железобетонной колонной, соедине¬
ние ее двумя оттяжками со смонтированными блоками ригелей, уста¬
новка вертикальной оттяжки и соединение ее с фундаментом;
-с помощью ловителей на установленном блоке ригеля монтировался
первый со стороны поля консольный элемент;
-	установка промежуточной стойки с подкосами и оттяжек к ней;
-	монтаж прогонов, горизонтальных связей велся по мере монтажа риге¬
лей с обеспечением пространственной устойчивости и неизменяемости
монтируемого участка покрытия;
-	монтаж профилированных листов и устройство железобетонной плиты.
Все работы проводились с техническим сопровождением и геодезиче¬
ским контролем (мониторинг). Анализ показал, что отказ от использования
при монтаже временных стоек под ригели с последующим раскружалива-
нием (применялся навесной метод монтажа элементов ригелей) привел к
ухудшению качества сборки, существенным отклонениям от проектного
положения элементов и узлов металлоконструкций.
§ 5.4. Купол и навесы входной группы аэровокзального
комплекса Шереметьево-3
Заказчик аэровокзального комплекса Шереметьево-3 — ОАО «Терми¬
нал», генеральный подрядчик — ООО «ЭНМАР», генеральный проекти¬
ровщик — «Enka Construction & Industry Со. & Inc.», архитектурные реше¬
ния — ООО «Архитектурная мастерская «Дмитрий Пшеничников и парт¬
неры», проект несущих конструкций купола — ООО «ГК-ТЕХСТРОЙ»
совместно с ЦНИИСК им. Кучеренко, конструктивное решение навеса
входной группы — немецкая фирма «Bollinger und Grohmann GmbH». Мон¬
таж металлоконструкций — ОАО «Сталькон» и ОАО «Стальмонтаж-
Оптим». Научно-техническое сопровождение проектирования, изготовле¬
ния и монтажа металлоконструкций — ЦНИИСК им. Кучеренко. Общий
вид комплекса представлен на рис. 5.13.
5.4.1. Купол над вестибюлем центральной части аэровокзального
комплекса
Представляет собой оболочку вращения с вертикальной осью высотой
24,84 м и максимальным наружным диаметром 61,80 м. Несущие металло¬
конструкции запроектированы в виде радиально-кольцевой системы с че¬
тырьмя связевыми панелями. Двадцать восемь радиальных решетчатых
полуарок переменной высоты расположены примерно через 12,857 градуса
(рис. 5.14, а). Ось верхнего пояса полуарки — ломаная линия, составленная
277

из двух прямолинейных участков: вертикального и наклонного под углом
21 градус, образующего коническую поверхность (рис. 5.14, б, в).
Рис. 5.13. Общий вид комплекса (макет)
Ось нижнего пояса имеет криволинейное очертание, составленное из
сопряженных между собой дуг окружностей. Пояса из сварных двутавров
объединены между собой треугольной решеткой из квадратных труб на
фасонках. Полуарки оперты на железобетонную плиту на двух уровнях: по
10 осям на отметке 190,000 м, а по 18 осям на отметке 195,000 (см. рис. 5.14,
б, в). Опирание полуарок в радиальном направлении — шарнирное. Они
замыкаются в единую пространственную систему опорными кольцами:
наружным, внутренним и центральным. Пространственное решетчатое на¬
ружное кольцо воспринимает распор купола, перераспределяет усилия в
системе от неравномерных осадок опор и при исключении из работы эле¬
ментов стоек купола, в случае аварийных воздействий. Внутреннее и цен¬
тральное кольца замыкают часть укороченных полуарок, позволив умень¬
шить их количество в центре купола, применив треугольные переходные
элементы (см. рис. 5.14, а). На верхний пояс полуарок опираются замкнутые
кольца-прогоны, на которые укладываются панели светопрозрачного по¬
крытия. Ось колец — ломаная линия из прямолинейных участков, вписан¬
ных в окружность. Тяжи уменьшают пролет прогонов из их плоскости.
Связи по наружным поясам полуарок обеспечивают устойчивость системы
и воспринимают ветровые нагрузки. Кольцевые связи по нижним поясам
полуарок обеспечивают их устойчивость из плоскости. К вертикальным
элементам наружных поясов полуарок крепятся кольцевые распорки, ис¬
пользуемые одновременно для навески ограждающих конструкций.
278

5
Рис. 5.14. Купольное покрытие:
а — план; б — разрез; в — фасад;
1 — радиальные полуарки; 2 — наружное опорное кольцо; 3 — внутреннее кольцо;
4 — центральное кольцо; 5 — прогоны; 6 — тяжи; 7 — связи; 8 — кольцевые рас¬
порки; 9 — портальные связи
279

5.4.2. Входная группа терминала аэровокзального комплекса
Шереметьево-3 (см. рис. 5.13)
Состоит из следующих конструктивных частей: основного навеса, рас¬
положенного вдоль фасада здания, и примыкающих к нему боковых крыль¬
ев и лестниц, главного арочного навеса и пешеходного моста. Конструкции
основного навеса, боковых крыльев и лестниц — традиционные с исполь¬
зованием стальных балок, в том числе консольных с максимальным выле¬
том 5,85 м. Балки оперты на железобетонные и стальные конструкции по¬
крытия основного здания терминала.
Наиболее интересные и оригинальные конструкции (рис. 5.15) — это
пешеходный мост длиной 55,3 м, расположенный под основным арочным
навесом общим пролетом 130 м, соединенным с ним наклонными декора¬
тивными тросами. Железобетонное дорожное полотно моста шириной 6,2 м
опирается на поперечные двутавровые балки. Пролет балок варьируется от
9,1 до 15,5 м, образуя в плане трапецию. Для уменьшения деформативности
Рис. 5.15. Общий вид моста и главной арки (аксонометрия)
конструкции перила дорожного полотна запроектированы в виде вертикаль¬
ных ферм. Для восприятия ветровых нагрузок в конструкцию моста включе¬
ны горизонтальные связи. Дорожное полотно заключено в «стеклянный ко¬
роб», который по длине моста меняет высоту от 3,8 до 7,2 м. Несущие конст¬
рукции стеклянного короба представляют собой ряд наклонных рам, опертых
на перильные фермы. Нагрузка с поперечных балок моста передается на под¬
вески двух однопролетных наклонных (от дорожного полотна) арок, распо¬
ложенных с правой и с левой стороны моста. Стрела подъема арок — 5,5 м,
пролет — 55,3 м. Сечение арки — труба 559x28 мм. Очертание арок принято
в виде несимметричной параболы, соответствующей равновесной форме для
восприятия нагрузок от наклонных подвесок. Устойчивость арок обеспечи¬
вается системой расходящихся наклонных тросов-подвесок (рис. 5.16).
280

Рис. 5.16. Мост (аксонометрия)
Основной арочный навес (рис. 5.17) представляет собой двухпролетную
конструкцию (гараж-стоянка —► здание терминала —► купол) с несущими
элементами в виде двух пар арочных ферм — главных и дополнительных
(рис. 5.17, а, б). Главные арочные фермы имеют пролет 88 м, между шах¬
тами лифтов, выполняющих функцию ядра жесткости гаража-стоянки, и
терминалом. Дополнительные арочные фермы пролетом 42 м перекрывают
расстояние между терминалом и парой колонн у конического купола. По¬
перечное сечение арок — четырехпоясная стержневая ферма с размерами
поперечного сечения 2x2,5 м для главного пролета и 1,5x2 м — для допол¬
нительного (рис. 5.17, в). Грани пространственных арок выполнены в виде
ферм с раскосной решеткой из прямолинейных элементов, связанных меж¬
ду собой диагональными элементами, а через каждые 3,25 м поперечными
диафрагмами жесткости. Четыре арки повторяют очертание навеса и от¬
клонены от вертикали приблизительно на 30°. Внешние опоры арочных
ферм закреплены на подвижных шарнирах, а промежуточные — шарнирно¬
неподвижно. Опоры арок объединены между собой предварительно напря¬
женными тросами для восприятия горизонтальных распоров. Тросы-
затяжки, расположенные между арочными фермами, натягиваются на уча¬
стке длиной 88 м на 24 см, а на участке длиной 42 м — на 12 см.
В поперечном направлении несущие конструкции, установленные
шагом 7,5 м, представляют собой систему параллельных однопролетных
ферм с консолями (см. рис. 5.17, в). В пролетной части они опираются на
арки, а на опорных участках — на арки и на две группы из шести связанных
281

Рис. 5.17. Главная арка:
а — план; б — разрез продольный; в — разрез поперечный;
7 — пространственные стержневые арки; 2 — тросы затяжки; 3 — поперечные фермы с кон¬
солями; 4 — светопрозрачные панели
282

между собой стоек, объединенных по верху дополнительными фермами.
Часть стоек связана диагональными элементами, обеспечивающими устой¬
чивость системы. Они же воспринимают горизонтальные ветровые нагруз¬
ки. Консольные фермы имеют традиционную схему. Максимальный пролет
ферм составляет 16 м, консолей — 8 м, высота сечения достигает 4 м.
В пролетной части навеса они объединены непосредственно с пространст¬
венными стержневыми арками, а в опорной части эти фермы частично или
полностью отделены от арок, для того чтобы не передавать на них усилия.
Края навеса, включая арки, закрыты с двух сторон сплошной облицов¬
кой из стальных профилированных листов, а пролетная часть — светопро¬
зрачная, из стеклянных панелей. Фермы между арками, имеющие линзооб¬
разную форму, состоят из балок верхнего пояса, соединенных с затяжкой
V-образными стойками. Пролет ферм варьируется от 12 до 24 м, их высота
достигает 4,5 м. Верхний пояс работает как сжатая многопролетная нераз¬
резная балка, а нижний — растянутый стержень, развязанный из плоскости
ферм предварительно напряженными тяжами (2 или 4 штуки), для предот¬
вращения возникновения в них сжимающих усилий.
На линзообразные фермы опираются прогоны панелей остекления. Сис¬
тема прогонов состоит из трех типов балок, образующих треугольную
форму стеклянных панелей. По краям расположены трапецеидальные па¬
нели или треугольные — меньшей величины. Первые два типа балок про¬
летом 2,78 м расположены между линзообразными фермами под углом
±68° шагом 1,8 м. Балки третьего типа пролетом 2 м расположены парал¬
лельно линзообразным фермам шагом 2,5 м. Прогоны обеспечивают устой¬
чивость их верхнего пояса. На участке арочного навеса пролетом 88 м ос¬
текление одинарное, а на участке, примыкающем к терминалу (теплый объ¬
ем), остекление двойное.
Конструкции были изготовлены в Германии. В соответствии со «Специ¬
альными техническими условиями» качество и марки материалов основных
стальных конструкций приняты с учетом степени ответственности соору¬
жения для группы 1 по табл. 50* СНиП 11-23-81*. В проекте используется
сталь S355 J2, механические значения которой соответствуют требованиям
EN 10025 и ГОСТ 27772-88 для стали С345. Сварочные работы на заводе-
изготовителе производились в соответствии с DIN 18800 (ЕС 3), а на мон¬
таже — в соответствии с требованиями СНиП 11-23-81*. По результатам
испытаний в ЦНИИСК им. Кучеренко принято, что болты класса 8.8, изго¬
товленные в Германии в соответствии с DIN EN IS 4014, DIN EN 4017, DIN
931, DIN 933, могут быть использованы с механическими характеристика¬
ми, определенными в DIN 18800. Все конструкции и изделия, поставляе¬
мые германской стороной, сертифицированы.
5.4.3.	Методика и результаты расчетов
Проект, имеющий достаточно сложную конструктивную схему, обу¬
словленную архитектурными решениями, адаптирован и согласован с уче¬
том требований российских нормативных документов. Нагрузки приняты в
283

соответствии со СНиП 2.01.07-85*, «Техническим заданием» и «Специаль¬
ными техническими условиями» на проектирование. Учтен коэффициент
надежности по ответственности, принятый равным уп = 1,2, как для уни¬
кальных сооружений.
Выполнены многовариантные оптимизационные расчеты. Проведен
анализ прочности, устойчивости и пространственной неизменяемости кон¬
струкции с применением современных вычислительных комплексов, рас¬
сматривая всю конструкцию как единую пространственную систему, мак¬
симально приближенную к реальной. Осуществлен поверочный расчет
конструкции независимой российской организацией. Расчеты сооружения
проводились в геометрически нелинейной постановке с использованием
двух различных современных программных комплексов с отдельными от¬
личиями в исходных предпосылках. Анализ показал, что результаты расче¬
тов отличаются незначительно, в интервале допустимых для инженерных
целей величин.
Расчеты подтвердили пространственную устойчивость и неизменяе¬
мость системы и необходимый коэффициент запаса при различных сочета¬
ниях нагрузок и воздействий. Напряжения и перемещения несущих эле¬
ментов конструкций сооружения не превышают величин, регламентируе¬
мых строительными нормами РФ. Получены данные по частотам
собственных колебаний, которые характеризуют динамическую прочность
и устойчивость сооружения. Динамическая реакция сооружения, и в пер¬
вую очередь гибких элементов, на воздействия ветра с учетом статических,
квазистатических и резонансных вкладов снижена введением в систему
демпфирующих устройств.
§ 5.5. Универсальный спортивный модуль
5.5.1. Основные конструктивные решения
Покрытие универсального спортивного модуля (рис. 5.18) с размерами в
плане 30x60 м состоит из двух блоков 30x30 м. По углам блоков покрытие
опирается на 6 колонн, защемленных в фундаменте. Сооружение выполне¬
но в виде навеса без стенового ограждения. Поверхность покрытия каждого
блока представляет собой крестовый свод (пересечение четырех сводов).
Стрела подъема в центре блока покрытия — 3 м.
Основными несущими конструкциями покрытия являются арки с за¬
тяжками, расположенные по контуру и по диагоналям покрытия. Контур¬
ные арки очерчены по дуге окружности радиусом 39 м. Диагональные арки
имеют ломаное очертание. В центре блока диагональные арки замыкаются
на квадратную раму (10 х 10 м), состоящую из вертикальных арок. Все узлы
сопряжения указанных элементов жесткие. Внутри центрального квадрата
расположены ортогонально друг другу прогоны. Параллельно контурным
аркам на расстоянии 10 м располагаются промежуточные арки-прогоны.
Все арки выполнены сварными двутаврового сечения (диагональная арка:
полки 400x18 мм, стенка 500x8 мм; остальные арки: полки 250x10 мм,
284

стенка 500x8 мм); центральные прогоны — из прокатного двутавра 40Б1
по СТО-АСЧМ 20-93.
Рис. 5.18. Общий вид
Арки подкреплены затяжками — прямолинейными по контуру и на¬
клонными (с использованием стоек) по диагоналям. Затяжки контурных
арок выполнены из двух тяжей диаметром 85 мм, затяжки промежуточных
арок-прогонов — из одного тяжа диаметром 85 мм. Затяжки 1-го яруса диа¬
гональных арок выполнены из двух полос сечением 30x175 мм. Затяжки
2-го яруса диагональных и центральных арок выполнены из двух полос
сечением 30x95 мм. Контурные и промежуточные арки соединены с затяж¬
ками подвесками из круглых стержней шагом 5 м. Диагональные, проме¬
жуточные и внутренние арки в узлах сопряжения соединены с затяжками
стойками из труб 0 146x5 мм (рис. 5.19, 5.20). На несущие арки опираются
светопрозрачные панели пролетом 5 м, каркас которых обеспечивает ус¬
тойчивость верхнего пояса арок.
Общая устойчивость сооружения обеспечивается 6 колоннами, жестко
защемленными в фундаменте и жестко сопряженными с конструкцией по¬
крытия. Они же обеспечивают восприятие горизонтальных ветровых на¬
грузок. Проект характеризуется рациональной конструктивной формой.
Надежность принятых в проекте конструктивных решений обоснована дос¬
таточно большим опытом проектирования, изготовления и монтажа про¬
странственных стальных конструкций.
5.5.2. Методика и результаты статических расчетов
В расчетах учтены следующие нагрузки: снеговые, ветровые, постоян¬
ные от собственного веса металлоконструкций и веса ограждающей конст¬
рукции покрытия, технологические, температурные воздействия. Для опре¬
деления ветровых и снеговых нагрузок использованы рекомендации, спе¬
циально разработанные для данного покрытия.
285

Рис. 5.19. План покрытия:
а — по верхнему поясу; б — по нижнему поясу
286

Выполнен анализ прочности, устойчивости и неизменяемости конст¬
рукции с применением современных вычислительных комплексов, рас¬
сматривая всю конструкцию как единую пространственную систему, обра¬
зованную арками, затяжками, подвесками и стойками, максимально при¬
ближенную к реальной. Кроме того, в расчетную схему шагом 2,5 м были
включены элементы, моделирующие ребра светопрозрачных панелей.
Численные исследования конструкции покрытия были осуществлены с
использованием трех вычислительных комплексов: «Лира», STK и
Cosmos/M, при этом расчетные усилия и перемещения практически совпа¬
ли. Выявлена большая жесткость системы и практически линейная связь
между перемещениями и усилиями с ростом нагрузки. Проведены много¬
вариантные оптимизационные расчеты, на основании которых выбрано
наиболее рациональное конструктивное решение. Решалась задача опреде¬
ления целесообразного расположения основных конструктивных элемен¬
тов, их оптимальных сечений и влияния конструктивного решения узлов на
работу системы, выбора стрелы подъема арок и отметки низа затяжек. Учи¬
тывалась возможность монтажа с применением доступных монтажных ме¬
ханизмов, использованием стандартных материалов, профилей, крепежных
деталей.
Расчет покрытия выполнен в три этапа. На первом этапе конструкция
рассчитывалась в линейной постановке. Полученные усилия и перемеще¬
ния использованы для уточнения сечений элементов. На втором этапе рас¬
чет был выполнен с учетом геометрической нелинейности. Расчетные уси¬
лия и перемещения оказались несколько меньше, чем полученные на пер¬
вом этапе. Расчет по деформируемой схеме с учетом усилий в элементах
позволил оценить устойчивость как системы в целом, так и ее отдельных
элементов. На третьем этапе выполнен динамический расчет конструкции.
Полученные частоты и формы собственных колебаний использованы при
определении ветровой нагрузки на конструкцию.
Относительные прогибы центра покрытия не превышали 1/300 пролета,
а горизонтальные перемещения верха колонны — 1/400 ее высоты. Общий
расход стали на покрытие составил около 90 т (50 кг/м2).
§ 5.6. Проекты покрытий с применением конструкций
фирмы «МЕРО»
Пространственная структура системы «МЕРО» (Германия) образуется
на основе многократно повторяющихся элементов (рис. 5.21). К преиму¬
ществам таких конструкций относятся: пространственная работа систе¬
мы; повышенная надежность; снижение строительной высоты покрытия;
возможность перекрытия больших пролетов; удобство проектирования
подвесных потолков; облегчение ограждающих конструкций кровли бла¬
годаря частой сетке узлов; унификация узлов и стержневых элементов;
архитектурная выразительность и возможность применения для зданий
различного назначения.
287

Конструкция двухпоясная, с
расстоянием между поясами —
2 м. Наружная и внутренняя
поверхности стержневой сетча¬
той оболочки образованы четы¬
рехугольными ячейками. Узлы
внутренней сети расположены
под центром ячеек наружной
сети и соединены с ними на¬
клонными стержнями. Для ре¬
гулярной части конструкции в
каждом узле соединяются четы¬
ре поясных и четыре наклонных
стержня.
Конструкция собирается из
круглых стальных труб. Основ¬
ным узловым элементом являя-
ется шаровидное тело горячей
штамповки с резьбовыми отвер¬
стиями, в которые ввинчиваются
вращающиеся на концах стерж¬
ней болты. Болты к стержням
присоединяются с помощью ко¬
нических наконечников. В осно¬
вании конуса находится отверстие, в которое вставляется болт. Стержень
болта охвачен ключевой муфтой. Стержень болта и ключевая муфта соеди¬
няются просечным штифтом. Болт вворачивается в узловой элемент вра¬
щением ключевой муфты (рис. 5.22).
Пространственная расчетная схема несущего каркаса покрытия вклю¬
чает все стержневые элементы. Узловые соединения принимаются шар¬
нирными, с учетом центрирования оси стержней в узлах. В расчетную схе¬
му включаются треугольные и четырехугольные кровельные панели для
упрощения задания распределенной нагрузки. Используются конечные
элементы типа плиты, воспринимающей только изгибающие моменты.
5.6.1. Центральное ядро ММДЦ «Москва-сити»
Светопрозрачное покрытие центральной части комплекса представля¬
ет собой оболочку двойной кривизны. Очертание в плане — неправиль¬
ный овал (яйцеобразный) с основными размерами 148,2 на 73 м. Длинная
ось — ось симметрии конструкции. Короткая ось (максимальная ширина
покрытия) сдвинута от центра на 31,2 м. Максимальная стрела подъема —
13,55 м. Поперечные сечения — дуги окружности с переменной стрелой
подъема (рис. 5.23).
Основными конструктивными элементами покрытия являются пролет¬
ная конструкция, опорный контур (узлы опирания) и три пары промежу-
288

а)
Вид с юга
+173.403
Вид сверху
СЗр СЗр Qp (Зр СЩ> Сц) <3р СЗр (Зр <3р> (^> (Ц> (^>	с^>	с^> с^>
(ID 21)Ш
©	1—I—4—h—[—^—|—|—Ь-^-1—h
©-	|	|	j	[ •"■■"■}	!	““1	1	4	4"	]~1пг
0	1—
®	'
I
tf)
Разрез между осями	Разрез между осями	Разрез между осями
12-14	18-20	22-24
Рис. 5.23. Центральное ядро ММДЦ «Москва-сити»:
а — план; б — продольный разрез; в — поперечный разрез
19 Заказ 1067
289

точных опор, установленных под оболочкой (расстояние между опорами
вдоль короткой оси — 23,4 м, вдоль длинной — 48,6 и 31,2 м). Пролетная
конструкция (собственно стержневая конструкция «МЕРО») воспринимает
всю поперечную нагрузку на покрытие. В торцах покрытия, перпендику¬
лярно продольной оси, расположены деформационные швы. Промежуточ¬
ные опоры, разветвленные вверху на четыре опорных стержня, уменьшают
пролет оболочки. Опорный контур (узлы опирания) воспринимает в уровне
диска покрытия горизонтальные составляющие цепных усилий, передаю¬
щиеся с пролетной конструкции, и на нижележащие конструкции передает
вертикальные усилия. Контур покоится на периметральных опорах, распо¬
ложенных на железобетонном покрытии. Шаг опор (узлов опирания) около
8 м. Они в большинстве случаев имеют пружинные устройства, умень¬
шающие горизонтальные усилия, передающиеся на железобетонную плиту
и колонны каркаса.
Монтаж конструкций выполняется без устройства сплошных лесов.
Структурная конструкция разделяется на укрупнительные монтажные эле¬
менты в виде пространственных ферм одного направления и доборные
элементы другого направления.
5.6.2.	Аквапарк ММДЦ «Москва-сити»
Основная часть покрытия аквапарка (рис. 5.24) представляет собой сет¬
чатую оболочку высотой 22 м, очерченную по поверхности сплюснутого
эллипсоида вращения с полуосями 42,5, 32,5. В поверхность эллипсоида
врезаны две наклонные плоскости, образующие косой «парус». Перед обо¬
лочкой (в сторону набережной) расположена плоская часть покрытия в ви¬
де стержневой плиты. Плита конструктивно соединена с оболочкой по ли¬
нии сопряжения и опирается на нее, имея самостоятельные опоры только с
трех сторон по периметру. «Паруса» в средней части соединены между со¬
бой системой стержней, образующих наклонную и горизонтальную плос¬
кости («переборка»). Каркас покрытия опирается в отдельных точках на
железобетонное основание. Кроме того, «парус» имеет в крайней точке
горизонтальную связь со зданием гостиницы.
5.6.3.	Здание входа в Московский зоопарк
Назначение здания — вход на новую территорию зоопарка, включая
площади свободного функционального назначения. Проектируемый ком¬
плекс представляет собой сложный многоуровневый объем, разделенный
на две части пассажем (неотапливаемым) с лестницами и эскалаторами.
Планировка офисных зон и помещений «свободная», без внутренних пе¬
регородок. Несущие конструкции каркаса, перекрытий, стен — монолит¬
ные железобетонные. Ограждающие конструкции стен — железобетон¬
ные или газобетонные по фахверку. Кровля — скатная, утепленная, с
внешним водостоком. Кровельное покрытие — металлические листы, над
пассажем — светопрозрачное. Несущая конструкция покрытия — про¬
странственная структура системы «МЕРО» в виде оболочки двойной кри¬
визны (рис. 5.25).
290

Рис. 5.24. Аквапарк ММДЦ «Москва-сити»:
а — общий вид; б — план
+30.000
19*
291

5.6.4.	Здание Ледового дворца спорта в г. Тольятти
Проектируемое здание с двумя ледовыми площадками представляет со¬
бой сложный многоуровневый объем с основными размерами в плане
255x106 м. Покрытие здания представляет собой выпуклую многогранную
(составленную из плоских треугольников) нерегулярную оболочку двойной
кривизны. Максимальная стрела подъема — 32,0 м. Каждая из треугольных
граней, примыкающих друг к другу под разными углами, имеет размеры
сторон от 10 до 35 м (рис. 5.26).
Рис. 5.26. Здание Ледового дворца спорта в г. Тольятти
Несущая конструкция покрытия — каркас (пространственная структу¬
ра) из трехгранных ферм, установленных в ребрах граней и жестко сопря¬
женных друг с другом. Трехгранные фермы выполнены из элементов систе¬
мы «МЕРО», в основном на основе многократно повторяющихся элементов.
Резьбовые отверстия в шаровых узлах могут образовываться под разными
углами, что обеспечивает точность сопряжения отдельных трехгранных
ферм между собой. Ограждающие конструкции укладываются на прогоны,
опертые на трехгранные фермы.
Литература к главе 5
5.1.	Дворец во славу российского хоккея // Технология строительства, № 9, 2007.
5.2.	Кудишин Ю.И., Дробот Д.Ю. К вопросу о живучести строительных конст¬
рукций // Строительная механика и расчет сооружений, № 2, 2008.
5.3.	Ведяков И.И., Еремеев П.Г. Комментарий к статье «К вопросу о живучести
строительных конструкций» // Строительная механика и расчет сооружений,
№ 4, 2008.
292

Глава 6
МОНИТОРИНГ НЕСУЩИХ КОНСТРУКЦИЙ НА СТАДИИ
МОНТАЖА И ПОСЛЕДУЮЩЕЙ ЭКСПЛУАТАЦИИ СООРУЖЕНИЯ
§ 6.1. Основные положения
При широком применении большепролетных пространственных кон¬
струкций одной из проблем становится их безопасность. Уникальные
большепролетные сооружения имеют повышенный уровень ответствен¬
ности по назначению, отказы которых могут привести к тяжелым эконо¬
мическим и социальным последствиям [1.2, 1.24]. В этой связи возникают
дополнительные требования к номенклатуре и объемам изысканий и про¬
ектных работ, изготовлению и монтажу конструкций, правилам их при¬
емки и эксплуатации.
Уникальность большепролетных сооружений определяется «Техниче¬
ским заданием» и «Специальными техническими условиями» на проек¬
тирование [1.27]. В соответствии с существующей практикой для таких
сооружений необходима организация мониторинга в период их монтажа
и первых (не менее 5) лет эксплуатации [6.4+6.5] с последующей про¬
лонгацией.
Мониторинг, отслеживающий техническое состояние элементов и
конструкции в целом, их деформаций во времени и при различных на¬
грузках проводится с целью контроля и обеспечения безаварийной рабо¬
ты сооружения [6.1]. Частые сообщения об инцидентах определяют акту¬
альность мониторинга. Надежная и безопасная работа сооружения обес¬
печивается проведением технического мониторинга с использованием
современных методов, методик и средств неразрушающего контроля.
Многолетний опыт данных работ, накопленный в ЦНИИСК им. Куче¬
ренко при возведении олимпийских стадионов в 80-х годах и последую¬
щей их эксплуатации, используется и сегодня при мониторинге и оценке
работоспособности подобных сооружений. На основе анализа отечест¬
венного и зарубежного опыта приняты следующие основные термины и
определения [6.7, 6.9].
Технический мониторинг объекта — специально организованное,
систематическое наблюдение за состоянием конструкций в процессе строи¬
тельства и эксплуатации с целью контроля их качества, оценки соответст¬
вия проектным решениям и нормативным требованиям, обеспечения об¬
ратной связи для своевременного выявления фактических изменений, сте¬
пени повреждения сооружения, предупреждения и устранения последствий
негативных процессов.
Степень повреждения сооружения — величина, характеризующая
утрату первоначальных технико-эксплутационных качеств (прочности, ус¬
тойчивости, надежности и т. д.) в результате воздействия природно¬
техногенных факторов.
293

Инженерный риск обрушения сооружения — величина, зависящая
от степени повреждения и характеризующая вероятность обрушения зда¬
ния (сооружения) для рассматриваемого интервала времени.
Инженерная безопасность здания (сооружения) — величина, ха¬
рактеризующая способность здания (сооружения) противостоять возмож¬
ному обрушению, опасному для жизни людей.
Задачи мониторинга большепролетных (в том числе уникальных) со¬
оружений:
-	оценка и прогноз фактической несущей способности основных несущих
конструкций, обеспечение контроля безаварийной работы сооружения;
-	своевременное обнаружение и контроль развития дефектов в конструк¬
циях и прогнозирование на этой основе остаточного ресурса сооружения;
-	принятие в случае необходимости своевременных и адекватных мер по
усилению несущих конструкций, позволяющих предотвращать на ран¬
них стадиях возможные необратимые изменения системы;
-	принятие обоснованных решений о продлении срока безаварийной экс¬
плуатации объектов.
Выбор способа мониторинга зависит от типа объекта, вида эксплуата¬
ционных дефектов, свойственных данному объекту, требуемого уровня
надежности, что определяется видом эксплуатации объекта: до отказа, по
назначенному ресурсу, по техническому состоянию. Повышенные требова¬
ния к надежности уникальных большепролетных сооружений определяют
необходимость их контроля по техническому состоянию с организацией
системы непрерывного или периодического мониторинга, который вклю¬
чает [6.1]:
-	определение нагрузок (в первую очередь климатических), воздействий,
в том числе эксплуатационных, и других факторов, являющихся причи¬
нами возникновения и развития дефектов;
-	выявление и регистрация деформаций и дефектов конструкций, их рас¬
положение, характер развития для получения надежной и достоверной
информации об объекте;
-	расчет на фактические нагрузки по этапам измерений и анализ соответ¬
ствия результатов мониторинга несущих конструкций расчетным дан¬
ным;
-	разработку критериев оценки опасности обнаруженных дефектов и ре¬
комендаций по безопасной эксплуатации сооружения.
Методы проведения технического мониторинга за критическим со¬
стоянием несущих строительных конструкций могут быть разделены на два
основных класса [6.12]: динамические методы, использующие данные дина¬
мических испытаний, и статические методы, включающие инструментальный
геодезический контроль перемещений несущих конструкций, тензометриче¬
ские, акустико-эмиссионные, ультразвуковые технологии. При этом могут
использоваться различные системы автоматического мониторинга, для не¬
прерывной оценки напряженно-деформированного состояния конструкций.
294

Первый метод базируется на сравнении эталонных динамических пара¬
метров (периоды собственных колебаний, величины декрементов затуха¬
ния) с фактически полученными данными. Соотношение этих величин оп¬
ределяет степень повреждения здания (сооружения). Проводится предва¬
рительный мониторинг с замером базовых значений контролируемых па¬
раметров и их сравнение с расчетными данными. Натурные данные по¬
лучают с использованием аппаратно-программных комплексов, состоящих
из терминала диспетчера со специальным программным обеспечением,
блоков сбора данных и различных датчиков. Программный комплекс обес¬
печивает сбор данных, их анализ и передачу сообщений об оценке техниче¬
ского состояния сооружения и отдельных конструкций диспетчеру.
Главные недостатки этого метода — громоздкость и высокая стоимость
системы, зависимость ее работоспособности от большого количества эле¬
ментов, сложность приспособлений для установки, защиты и обслуживания
датчиков, необходимость регулярного выполнения работ по техническому
обслуживанию и калибровке (тарировке) датчиков и т. д. Кроме того, от¬
сутствуют апробированные методики определения динамических парамет¬
ров пространственных конструкций, обычно включающих большое коли¬
чество взаимосвязанных элементов.
Основными недостатками тензометрических методов мониторинга яв¬
ляются натурные замеры в отдельных точках многоэлементной конструк¬
ции, которые не всегда могут характеризовать действительную несущую
способность системы. Существенное влияние на показания датчиков ока¬
зывают локальные факторы: местные усиления или ослабления сечения
конструкции, существенные перепады усилий на небольших участках, фак¬
тические жесткостные характеристики элементов, в частности железобе¬
тонных конструкций и т. п. Очень сложно выделить влияние основных
факторов от второстепенных, например, от температурных воздействий, в
том числе неравномерных по сечению элемента. Ввиду относительно не¬
больших величин фактических нагрузок приборы должны обладать очень
высокой точностью. Для получения относительно достоверных данных
требуется проводить замеры в большом количестве точек, при этом в каж¬
дом сечении большинства элементов необходимо устанавливать датчики
минимум в четырех точках.
Инструментальный геодезический мониторинг включает исполнитель¬
ную съемку контролируемых точек на соответствие фактических и проект¬
ных размеров и отметок (нулевой этап); выполнение циклов наблюдений за
деформациями основных несущих конструкций (измерения координат кон¬
тролируемых точек); выполнение циклов наблюдений за осадочными мар¬
ками на фундаментах. Эти измерения могут проводиться и в автоматиче¬
ском режиме. Оценка несущей способности основных конструкций и их
эксплуатационной надежности выполняется путем сравнения фактически
замеренных перемещений с расчетными данными. Геодезические измере¬
ния перемещений характеризуются простотой, экономичностью, не требу¬
ют использования сложного оборудования [6.13].
295

Существующий опыт многолетних геодезических наблюдений под¬
тверждает эффективность инструментального наблюдения и анализа рабо¬
ты большепролетных сооружений. При этом измерения фактических пере¬
мещений несущих элементов конструкций в вертикальной и горизонтальной
плоскостях под действием натурных нагрузок позволяют контролировать
истинную жесткость и деформативность элементов и сооружения в целом.
Перемещения конструкций (например, прогибы оболочки и горизонталь¬
ные перемещения опорного контура пространственных систем) являются
интегральными (обобщенными) характеристиками, определяющими не
только деформированное, но и напряженное состояние системы. Измерения
перемещений зачастую непосредственно указывают на работоспособность
конструкции. Метод приспособлен к обнаружению повреждений в конст¬
рукциях из различных материалов, включая сталь, железобетон, алюминий
и древесину. Проводя натурные геодезические замеры с определенным ин¬
тервалом времени, можно оценить ресурс долговечности как конструктив¬
ных элементов, так и системы в целом.
Состав работ по техническому мониторингу. Следует обратить
внимание на то, что технический мониторинг — это не только замеры тех
или иных физических параметров (перемещений, относительных деформа¬
ций, динамических характеристик) и их анализ. Технический мониторинг
обязательно должен включать работы по наблюдению и фиксации клима¬
тических и эксплуатационных нагрузок и воздействий, выявлению и кон¬
тролю основных видов повреждений (изменение пространственного поло¬
жения конструкции в процессе эксплуатации, трещины в элементах несу¬
щих конструкций и в узлах, коррозия металлов, износ элементов и т. п.).
В большепролетных сооружениях необходимо проведение системати¬
ческих наблюдений, текущих и общих периодических осмотров (осуще¬
ствляемых как минимум поквартально четыре раза в год). После стихий¬
ных бедствий или аварий, а также в случае выявления аварийного состоя¬
ния строительных конструкций проводятся внеочередные осмотры.
Особое внимание следует уделять стыкам металлических и сборных же¬
лезобетонных конструкций, а также конструкциям, находящимся в усло¬
виях влажного режима, динамических, термических и переменных стати¬
ческих нагрузок.
В случае возникновения опасных признаков разрушения наблюдения
следует вести ежедневно с принятием соответствующих мер, обеспечи¬
вающих безопасность людей и сохранность оборудования. Необходимо
немедленно принимать меры по разгрузке аварийных конструкций, ограж¬
дению аварийного участка и организации обследования с привлечением
специализированной организации для разработки мер по усилению или
замене конструкции.
При обследовании строительных конструкций необходимо устанавли¬
вать их физическое состояние и выявлять дефекты, повреждения, появив¬
шиеся в результате:
- ошибок при проектировании;
296

-	нарушений, допущенных при изготовлении конструкций;
-	нарушений условий транспортировки и монтажа;
-эксплуатации конструкций (нагрузки и воздействия на конструкции,
специфика технологических процессов, наличие агрессивных сред и ка¬
чество антикоррозионной защиты и прочее).
Основное влияние на напряженно-деформированное состояние конст¬
рукции оказывают нагрузки. При их периодическом изменении могут обра¬
зоваться локальные участки с повышенным уровнем напряжений, обычно
группирующиеся в зонах концентраторов. Возникновению и развитию де¬
фектов могут способствовать внешние воздействия: неравномерные осадки
основания, физико-химические свойства среды, способствующей коррозии,
ит. п.
Специальный раздел проектной документации должен включать:
-	методы проведения мониторинга и частоту специальных натурных об¬
следований;
-перечень элементов и узлов конструкций, требующих обязательных
осмотров;
-	требуемое техническое оснащение и оборудование.
К числу недопустимых дефектов и повреждений металлических кон¬
струкций относятся:
-	деформации отдельных элементов или конструкции в целом, их смеще¬
ние от проектного положения;
-отсутствие или разрушение отдельных элементов в конструкции, в
том числе связевых элементов, обеспечивающих устойчивость основ¬
ных конструкций;
-искажение формы или искривлений элементов вследствие потери ус¬
тойчивости;
-	нарушение геометрических размеров сечений элементов;
-	механические повреждения металла, трещины в металле или в сварных
швах, отсутствие или перерывы сварных швов в узловых соединениях
или элементах конструкций;
-	дефекты и разрушения узловых соединений (сварных, болтовых, закле¬
почных), в том числе отсутствие заклепок, болтов, гаек или средств их
фиксации в соединениях;
-разрушение антикоррозионных защитных покрытий и коррозионные
повреждения металла.
К числу недопустимых дефектов и повреждений железобетонных
конструкций относятся:
-деформации отдельных элементов или конструкции в целом, отклоне¬
ния от проектного положения;
-	нарушение геометрических размеров сечений, смещения и деформации
в узлах сопряжений конструкций;
-	дефекты бетонирования (раковины и скопления инертных материалов,
слабо связанных между собой, и т. д.);
297

- механические повреждения различного характера: трещины, растрески¬
вание и отслоение защитных слоев бетона, коррозия арматуры, наруше¬
ние сцепления арматуры с бетоном, увлажнения, высолы, разрушение
защитных покрытий бетона и карбонизация бетона, недостаток или ос¬
лабление армирования при разрушении защитного слоя и т. п.
Определение выявленных осмотрами причин и зафиксированных де¬
формаций, дефектов и повреждений строительных конструкций проводится
специализированными организациями на основании детального инстру¬
ментального обследования. Степень опасности и меры по устранению де¬
фектов и повреждений конструкций должны определяться на основе пове¬
рочных расчетов, выполняемых в соответствии с требованиями действую¬
щих инструктивно-нормативных документов.
§ 6.2. Программа работ по проведению инструментального
мониторинга
Проведению мониторинга предшествует выбор методики контроля за
климатическими и эксплуатационными нагрузками и воздействиями; обос¬
нование схемы расположения и количества наблюдаемых точек; обоснова¬
ние величин предельно допустимых деформаций и динамических характе¬
ристик конструкций сооружения в наблюдаемых точках; разработка крите¬
риев оценки опасности обнаруженных дефектов при контроле состояния
несущих конструкций.
При этом принимается во внимание, что основное влияние на напря¬
женно-деформированное состояние конструкции оказывают нагрузки, а
также внешние воздействия (неравномерные осадки основания, физико¬
химические свойства среды, способствующей коррозии, и т. п.). Поэтапная
регистрация нагрузочных факторов включает собственный вес смонтиро¬
ванных несущих и ограждающих конструкций, климатические нагрузки и
воздействия (снег, температура и т. п.), предварительное напряжение кон¬
струкции (при наличии), технологические нагрузки, эксплуатационные на¬
грузки и воздействия (нагрузки на трибуны от зрителей и т. п.).
Обоснование выводов по безаварийной работе сооружения выполняется
на основе обработки и анализа результатов натурных измерений; расчетов
конструкций на фактические нагрузки и воздействия, анализа соответствия
расчетных данных и результатов натурных измерений; оценки несущей
способности основных конструкций, выявления и контроля основных ви¬
дов повреждений.
6.2.1.	Разработка системы критериев контроля напряженно-
деформированного состояния несущих конструкций
Как было указано выше, прогибы пролетной конструкции и горизон¬
тальные перемещения опорного контура являются интегральными (обоб¬
щенными) характеристиками, определяющими не только деформирован¬
ное, но и напряженное состояние системы. Критерии контроля напряженно¬
298

деформированного состояния несущих конструкций определяются анали¬
зом работы сооружения на двух уровнях, с учетом данных инструменталь¬
ного мониторинга.
Первый уровень определяет требование соответствия (непревышения)
данных натурных наблюдений результатам расчетов на фактические на¬
грузки как качественно, так и количественно, что контролирует обеспече¬
ние условий нормальной эксплуатации объекта. Разработка системы крите¬
риев первого уровня включает сбор и анализ исходной информации о со¬
оружении. К ней относятся расчетные значения измеряемых параметров,
особенности объекта, конструктивная (расчетная) схема, схема обеспечения
пространственной жесткости и устойчивости сооружения, типы несущих
элементов и их физико-механические характеристики, возможные нагрузки и
воздействия, наиболее слабые места объекта, результаты расчетов и т. д.
Дополнительная система критериев включает требование работы конст¬
рукции в упругой области. После снятия с конструкции временной нагруз¬
ки (снег, температура) контрольные параметры должны возвращаться к
изначальным величинам, их зависимости от нагрузки должны быть плав¬
ными, без резких скачков. При наличии канатов дополнительная система
критериев может включать контроль усилий в них — фактически замерен¬
ные усилия не должны превышать их теоретических значений.
Второй уровень определяет требование своевременного предупрежде¬
ния наступления предельного состояния строительного объекта, возмож¬
ных катастрофических разрушений в случае аварийных воздействий. Сис¬
тема критериев второго уровня основывается на контроле данных натур¬
ных наблюдений, которые не должны превышать критических величин.
Дополнительно учитываются возможные причины возникновения дефектов
и прогноз их развития, влияние обнаруженных дефектов на устойчивость
сооружения. Проводится предварительная оценка степени повреждения и
технического состояния сооружения. Инженерная безопасность сооруже¬
ния определяется экспертным методом по результатам комплексного ана¬
лиза экспериментальных данных и моделирования поведения объекта при
возможных аварийных воздействиях. Разрабатывается проект первооче¬
редных мероприятий в зависимости от степени возможного повреждения
сооружения.
Нагрузками и воздействиями являются: постоянные нагрузки (собст¬
венный вес конструкций и кровли, технологические нагрузки, воздействия,
связанные с этапами монтажа конструкции, и т. п.) — нулевой этап и вре¬
менные нагрузки (снег, температура).
6.2.2.	Обоснование величин предельно допустимых перемещений
основных несущих конструкций сооружения в наблюдаемых точках
Обоснование величин предельно допустимых (критических) контрольных
параметров несущих конструкций выполняется по результатам расчетов и
оценке несущей способности уникального большепролетного сооружения.
Численный анализ проводится с использованием современных программ¬
299

ных комплексов с учетом геометрической и физической нелинейности.
Создается полная конечно-элементная модель конструкции сооружения,
максимально приближенная к фактической, для расчетов на все виды на¬
грузок с учетом моделирования процесса его возведения.
Выполняются численные исследования работы конструкции на проект¬
ные нагрузки. К результатам расчетов на постоянные нагрузки добавляют¬
ся результаты расчетов на снеговые нагрузки, соответствующие разным
уровням: от расчетной нагрузки (первый уровень) до ее увеличения с ко¬
эффициентом перегрузки не менее 1,5 (второй уровень).
Первый уровень определяет требование соответствия данных натурных
наблюдений результатам расчетов на фактические нагрузки, что контроли¬
рует обеспечение условий нормальной эксплуатации объекта. При этом
данные натурных наблюдений не должны превышать результаты расчетов
на расчетные снеговые нагрузки.
Второй уровень определяет требование своевременного предупрежде¬
ния наступления предельного состояния строительного объекта, непревы-
шения данных натурных наблюдений результатов расчетов на увеличенные
значения снеговых нагрузок, исключения катастрофических разрушений в
случае аварийных воздействий. Даются оценка и прогноз ресурса несущей
способности сооружения в целом и отдельных конструктивных элементов
для принятия обоснованных решений о продлении срока безаварийной экс¬
плуатации объекта.
6.2.3.	Обоснование схемы расположения и количества наблюдаемых
точек на несущих конструкциях
Первичным критерием для оценки параметров функционирования объек¬
та наблюдения является сопоставление результатов наблюдения с расчетно¬
теоретическими предпосылками. При прямом пути контроль параметров
осуществляется непосредственно по показаниям приборов, например, по
величине перемещений, замеренных в наиболее характерных точках. При
косвенном пути о контролируемом параметре судят по регистрируемым
показаниям, лишь функционально связанным с контролируемым. Как, на¬
пример, при оценке жесткости конструкции — по ее перемещениям. В пре¬
обладающем большинстве случаев оба приема используют совместно.
Отработанный практикой механизм оценки параметров действительной
работы наблюдаемой конструкции строится на предположении, что систе¬
ма нагрузка—реакция данной конструкции линейна или известен закон
этой зависимости. Тогда, используя принцип суперпозиции, можно зафик¬
сировать в каждый отрезок времени условия, в которых находится соору¬
жение, отразив всю совокупность внешних нагрузок и воздействий, а также
суммарную реакцию на них сооружения. Если результаты расчета совпа¬
дают с показаниями, характеризующими совокупную реакцию объекта на¬
блюдения, имеются основания для вывода о соответствии действительной
работы сооружения теоретической модели и, в общем случае, оценке его
эксплуатационной работоспособности.
300

Достоверность полученной информации определяется объемом стати¬
стически обоснованных данных при различных сочетаниях и величинах
входных параметров. Приборное и инструментальное оснащение при вы¬
полнении длительных натурных наблюдений определяется программой,
содержащей перечень элементов, узлов и конкретных параметров, подле¬
жащих длительному контролю, необходимых и достаточных для суждения
о техническом состоянии объекта наблюдения.
Совокупность данных инструментальных наблюдений включает, как
правило, информацию о фактических климатических воздействиях, дейст¬
вительном напряженно-деформированном состоянии конструкций, абсолют¬
ных и взаимных перемещениях элементов и узлов. Состав и объем наблю¬
дений должны гарантировать достаточную, статистически обоснованную
информацию об особенностях функционирования объекта наблюдения, и в
первую очередь тех его параметров, которые интегрально характеризуют
эксплуатационную надежность сооружения и позволяют достоверно про¬
гнозировать ресурс безаварийной работы.
Расположение и количество наблюдаемых точек, необходимых для
мониторинга, зависит от типа, пролета и материала большепролетной
конструкции, а также от направления измерения перемещений конкретно¬
го конструктивного элемента и условий его работы. Требования к распо¬
ложению и количеству контрольных точек определяется необходимостью
получения достаточно полной картины напряженно-деформированного
состояния основных элементов покрытия по результатам натурных на¬
блюдений.
При их выборе учитывается и дополнительный фактор. Напряженно-
деформированное состояние конструкции описывается системой нелиней¬
ных дифференциальных уравнений в частных производных. Для решения
задачи можно использовать приближенный метод конечных разностей, в
котором система дифференциальных уравнений приводится к системе ал¬
гебраических уравнений относительно дискретных значений перемещений
в узловых точках, которые определяются геодезическим методом.
§ 6.3. Основные этапы проведения инструментального
мониторинга
6.3.1.	Особенности проведения мониторинга на стадии монтажа
В первую очередь проводится анализ результатов геодезических заме¬
ров поверхности покрытия до и после раскружаливания на соответствие
проекту. Проектная геометрия покрытия до раскружаливания в большинст¬
ве случаев может быть задана уравнением поверхности оболочки в прямо¬
угольной или полярной системе координат. Проектная геометрия покрытия
после раскружаливания определяется расчетом.
С целью определения положения несущих конструкций в процессе мон¬
тажа выполняются следующие мероприятия: разработка и согласование
схемы размещения сети деформационных марок на наблюдаемых конст¬
301

рукциях, их установка, выполнение наблюдений за перемещениями конст¬
рукций, обработка и анализ результатов измерений.
Основными нагрузками и воздействиями на этом этапе натурных заме¬
ров могут являться: собственный вес покрытия, демонтаж временных опор
(раскружаливание), предварительное напряжение канатов (при их нали¬
чии), возможные климатические нагрузки (снег, температура и т. п.).
Инструментальный геодезический мониторинг включает исполнитель¬
ную съемку всех контролируемых точек на соответствие фактических и
проектных размеров и отметок (нулевой этап), выполнение циклов наблю¬
дений за деформациями основных несущих конструкций (измерения коор¬
динат контролируемых точек), в том числе за осадочными марками на фун¬
даментах. При наличии канатов в них измеряются усилия. Кроме того, вы¬
полняется визуальный контроль основных узлов конструкции. Оценка
несущей способности сооружения и его эксплуатационной надежности вы¬
полняется путем сравнения фактически замеренных перемещений с рас¬
четными данными на непревышение теоретических величин. Некоторые
примеры результатов геодезического мониторинга на стадионе «Локомо¬
тив» в Москве приведены на рис. 6.1.
Рис. 6.1. Эпюры максимальных прогибов кольцевой балки навеса над трибунами
стадиона «Локомотив»:
	натурные замеры;	расчетные прогибы
6.3.2.	Разработка автоматизированной системы мониторинга
при эксплуатации сооружения
В настоящее время наибольшее развитие получили автоматизированные
системы мониторинга технического состояния несущих конструкций вы¬
сотных зданий. В основном все они базируются на динамическом зондиро¬
0
-50
s -100
J -150
*1 -200
и
g -250
С
-300
-350
-400
2
3
4
5
6
7
8
302

вании зданий, анализе изменений спектральных характеристик диагности¬
руемого сооружения путем сопоставления экспериментально замеряемых и
расчетных параметров опасных сечений конструкций, с использованием
высокочувствительных сейсмовибрационных датчиков (акселерометров).
Однако такая технология практически неприменима для большепролетных
сооружений, для которых наиболее приемлемым оказываются геодезиче¬
ские методы.
Автоматизированйая система предназначена для оценки инженерной
безопасности сооружения на основе обобщенного анализа его парамет¬
ров, полученных с применением комплекса геодезических приборов. Ме¬
тодика определяет последовательность операций и способы анализа ин¬
формации для определения инженерной безопасности и степени повреж¬
дения сооружения с учетом возможных опасностей для находящихся на
объекте людей.
Обычно предусматривается следующий состав работ: рабочий проект
автоматизированной системы наблюдений; комплектация, монтаж, наладка
и метрологическая аттестация системы; проведение мониторинга с исполь¬
зованием автоматизированной системы наблюдений. Инструментальный
мониторинг включает: систему контроля перемещений основных несущих
конструкций; осадочных марок на фундаментах; усилий в канатах (при их
наличии); систему контроля динамических характеристик системы (при
необходимости), наблюдения и регистрацию нагрузочных факторов (кли¬
матические и эксплуатационные нагрузки и воздействия).
Проведение инструментального контроля планируется как минимум 4
раза в год: в апреле после освобождения покрытия от снегового покрова; в
июле — для определения влияния максимальных температурных воздейст¬
вий; в сентябре и в зимние месяцы при максимальном снеговом покрове.
Автоматизированная система (АС) строится на основе роботизирован¬
ных электронных тахеометров, устанавливаемых на стабильные строитель¬
ные конструкции, и деформационных марок, закрепленных на несущих кон¬
струкциях. В состав системы входит пульт оператора: компьютер, принтер,
линии связи от роботизированных тахеометров. Система работает в непре¬
рывном режиме с сохранением информации на носителях. Темп и объем
измерений могут изменяться в зависимости от нагрузок на покрытии (снег)
или ответственности проводимых мероприятий. Определяются основные
метрологические характеристики системы: диапазон измерений плановых и
высотных перемещений контролируемых точек сооружения, средняя квад¬
ратическая погрешность измерений, стабильность работы системы в рабо¬
чем температурном диапазоне, допускаемая влажность и т. д.
6.3.3.	Методика замеров снеговых нагрузок
Величина фактической снеговой нагрузки определяется по данным ста¬
тистической обработки результатов наблюдений за состоянием снегового
покрова ближайших к объекту обследования метеостанций, имеющих наи¬
более длительный период наблюдений.
303

Снег на покрытии подвергается ветровому воздействию с переносом
массы снега и соответствующим его перераспределением по площади.
Часть снега может сноситься с покрытия. В зависимости от формы покры¬
тия, а также направления и скорости ветра на участках покрытия, где гос¬
подствует сдувание, снеговая нагрузка может быть меньше, чем ее отправ¬
ная климатологическая величина — вес снежного покрова земли в услови¬
ях площадки, защищенной от ветра. На других участках при надувании
снега с соседних участков нагрузка будет превышать соответствующий вес
покрова. В целом же воздействие ветра приводит к тому, что средняя сне¬
говая нагрузка на покрытие отдельного сооружения, как правило, не пре¬
вышает, а часто бывает меньше расчетного веса.
Для установления действительного характера снегоотложений на покры¬
тии измеряются высота и плотность снегового покрова. Кроме того, отбира¬
ются пробы снега для определения его плотности. Плотность снега определя¬
ется при помощи снегомера или путем взвешивания снега, собранного с 1 м1 2
площади крыши. Исследования проводятся по мере нарастания снеговой на¬
грузки, а также в период наибольших снегоотложений. Высоту снегового по¬
крова следует измерять по линиям, параллельным главным осям сооружения.
Расстояние между точками измерений не менее 10 м, а на участках более рез¬
кого изменения интенсивности снеговой нагрузки (например, в зоне, примы¬
кающей к наружному опорному контуру) шаг измерений уменьшается до 2 м.
Плотность снега следует измерять стандартным метеорологическим
прибором (снегомером) не менее чем в 10 точках при различной высоте
покрова. На основании полученных данных необходимо построить рабочий
график зависимости величины снеговой нагрузки от высоты снегоотложе¬
ний для данного покрытия и во всех точках определить соответствующую
снеговую нагрузку.
§ 6.4. Основные требования по организации надлежащей
эксплуатации сооружения
1.	При эксплуатации (содержании и надзоре) строительных конструкций
большепролетных сооружений следует руководствоваться главами СНиП и
другими утвержденными действующими нормативными документами по
проектированию, строительству, приемке в эксплуатацию и эксплуатации
зданий и сооружений, а также проектной документацией на эксплуатируе¬
мое сооружение [6.2, 6.8, 6.11]. Эти требования должны обеспечивать без¬
аварийную эксплуатацию строительных конструкций в соответствии с ус¬
ловиями, предусмотренными в проекте и в нормах на проектирование.
В составе проекта должен быть обязательно разработан раздел «Регламент
по эксплуатации сооружения».
2.	Основные задачи эксплуатации строительных конструкций больше¬
пролетных сооружений:
- обеспечение соответствия параметров эксплуатационных сред, нагрузок
и воздействий на строительные конструкции величинам, принятым при
304

проектировании здания или оговоренным действующими нормативны¬
ми документами;
-	организация, планирование и проведение технического мониторинга и
текущих периодических осмотров;
-	своевременное выявление, оценка и устранение неисправностей строи¬
тельных конструкций.
При подготовке и проведении всех работ по эксплуатации и ремонту
строительных конструкций должны приниматься меры, предотвращающие
аварийное разрушение конструкций и обеспечивающие безопасность лю¬
дей и сохранность оборудования.
3.	В обязанности службы эксплуатации входит:
-	участие на стадии строительства в промежуточной приемке и освидетель¬
ствовании скрытых работ, а также тех работ, от качества выполнения
которых зависят устойчивость и прочность сооружения или их частей;
-	участие в рабочих и государственных комиссиях по приемке в эксплуа¬
тацию сооружения после окончания его строительства или реконструк¬
ции;
-	составление заданий на проведение технического мониторинга соору¬
жения специализированными организациями, оказание необходимой
помощи при проведении обследований, промежуточная и окончатель¬
ная приемка выполненных работ;
-	составление перспективных планов капитального ремонта сооружения;
-	проведение организационных работ, связанных с выполнением капи¬
тального ремонта сооружения, контроль качества этих работ;
-	проведение подготовительных работ по организации и участие в работе
комиссий по приемке в эксплуатацию сооружения после окончания ка¬
питального ремонта;
-	разработка предложений по обеспечению доступа к ответственным уз¬
лам строительных конструкций эксплуатируемых сооружений для ос¬
мотра и ремонта, контроль за их осуществлением;
-	анализ причин возникновения дефектов и повреждений, а также накоп¬
ление статистических материалов об их развитии во время эксплуатации;
-	участие в работе комиссий по определению степени износа сооружения;
-	запрещение технической эксплуатации сооружения или отдельных
строительных конструкций в случае обнаружения неисправностей, уг¬
рожающих безопасности людей, сохранности сооружения или оборудо¬
вания;
-	привлечение специализированных организаций для проведения обсле¬
дований сооружения [6.9] и разработки вопросов, связанных с их экс¬
плуатацией, а также организаций для выполнения капитального ремонта
сооружения;
-	при эксплуатации зданий в особых условиях (геофизических, техноло¬
гических и т. п.) в штате отдела эксплуатации сооружения должны быть
специалисты соответствующего профиля.
20 Заказ 1067
305

4.	Замена или модернизация технологического оборудования, вызы¬
вающая изменение силовых воздействий, степени или вида агрессивного
воздействия на строительные конструкции сооружения, проведение работ
по демонтажу оборудования, переналадке технологических коммуникаций
должна производиться только по специальным проектам, разработанным
или согласованным генеральным проектировщиком.
5.	При эксплуатации конструкций не допускается изменять конструк¬
тивную схему сооружения. Строительные конструкции необходимо предо¬
хранять от перегрузки, с этой целью не допускается:
-	установка, подвеска и крепление на конструкциях не предусмотренного
проектом технологического оборудования и других устройств (даже на
время его монтажа), перестановка технологического оборудования. До¬
полнительные нагрузки в случае необходимости могут быть допущены
только по согласованию с генеральным проектировщиком;
-	ослабление несущих конструкций путем вырезов, исключения элемен¬
тов конструкций, снятие или перестановка связей, создание в местах
шарниров, жестких сопряжений элементов. Такие решения могут быть
разрешены в виде исключения только при наличии проектного решения,
разработанного или согласованного генеральным проектировщиком;
-	крепление новых элементов, приварка деталей, подвеска трубопрово¬
дов, светильников или кабелей;
-	прокладка по покрытиям временных трубопроводов, установка не пре¬
дусмотренных проектом вентиляционных устройств и т. п., складирова¬
ние на покрытии строительных материалов и изделий, размещение раз¬
личных вспомогательных помещений, не предусмотренных проектом и
создающих условия для образования дополнительных снеговых мешков
на кровле.
6.	Сроки возобновления противокоррозионных покрытий металличе¬
ских конструкций должны быть назначены с учетом степени агрессивного
воздействия эксплуатационной среды, системы и состояния противокорро¬
зионной защиты, конструктивной формы элементов. Поврежденные участ¬
ки противокоррозионного покрытия несущих или ограждающих металли¬
ческих конструкций должны быть в кратчайший срок восстановлены.
7.	Засорение или неисправность желобов и труб внешних водостоков,
ендов, воронок и труб внутренних водостоков следует устранять немедленно.
8.	Очистку кровли от снега следует производить в случае, если фактиче¬
ская нагрузка от снега равна или превышает принятую при проектирова¬
нии, а также в случае аварии или необходимости выполнения срочного ре¬
монта кровель.
Результаты многолетнего положительного опыта, накопленного в
ЦНИИСК им. Кучеренко по проведению мониторинга и научно-техничес¬
кому сопровождению эксплуатации подобных сооружений, целесообразно
использовать при выполнении работ по безопасной эксплуатации зда-
ний/сооружений с большепролетными конструкциями [6.3].
306

Литература к главе 6
6.1.	Гордиенко В.Е. Мониторинг: пути повышения надежности и прогнозирования
остаточного ресурса металлических конструкций зданий и сооружений // Про¬
мышленное и гражданское строительство, № 12, 2005.
6.2.	ГОСТ 24297-87 «Входной контроль продукции. Основные положения». - М.,
1988.
6.3.	Гурьев В.В., Дорофеев В.М., Стражников А.М. О проблемах безопасной
эксплуатации большепролетных зданий и сооружений // Промышленное и
гражданское строительство, № 5, 2007.
6.4.	Еремеев П.Г. Особенности проведения технического мониторинга уникаль¬
ных большепролетных сооружений // Пространственные конструкции. - 2008.
-№ 3. - С. 69-75.
6.5.	Еремеев П.Г. Опыт проведения технического мониторинга и эксплуатации
конструкций покрытий уникальных большепролетных сооружений // Про¬
мышленное и гражданское строительство, № 2, 2008.
6.6.	Еремеев П.Г., Рязанцев Г.Е., Жидков А.А., Алахверди А.А. Мониторинг не¬
сущих конструкций крытого конькобежного катка в г. Коломне // Монтажные
и специальные работы в строительстве, № 9, 2007.
6.7.	МГСН 2.10 - 04. Временные нормы и правила обследования и мониторинга
технического состояния зданий и сооружений в городе Москве.
6.8.	СНиП 3.01.04-87. Приемка в эксплуатацию законченных строительством объ¬
ектов. Основные положения (изд. 2001 г. с изм.).
6.9.	СП 13-102-2003. Правила обследования несущих строительных конструкций
зданий и сооружений.
6.10.	ТР 182-06. Технические рекомендации по проведению научно-технического
сопровождения строительства большепролетных, высотных и других уникаль¬
ных зданий и сооружений.
6.11.	ТСН 12-309-2000 (Москва). Приемка и ввод в эксплуатацию законченных
строительством объектов. Основные положения (МГСН 8.01-00).
6.12 .Jinping Ои, Hui Li (2005), «The state-of-the-art and practice of structural health
monitoring for civil infrastructures in the mainland of China». Proceedings of The
4th Structural Health Monitoring and Intelligent Infrastructure, Shenzheng, 69-93.
6.13. J. C. Chen, J. A. Garba (1988), On-orbit damage assessment for large space struc¬
tures. AIAA Journal, 26(12): 1119-26.
20*
307

Глава 7
ОБЕСПЕЧЕНИЕ БЕЗОПАСНОСТИ БОЛЬШЕПРОЛЕТНЫХ
СООРУЖЕНИЙ ОТ ЛАВИНООБРАЗНОГО (ПРОГРЕССИРУЮЩЕГО)
ОБРУШЕНИЯ ПРИ АВАРИЙНЫХ ВОЗДЕЙСТВИЯХ
§ 7.1. Основные положения
Настоящие рекомендации содержат требования по обеспечению безо¬
пасности большепролетных сооружений от лавинообразного (прогресси¬
рующего) обрушения конструкций за счет исключения или снижения до
минимума влияния аварийных воздействий, в первую очередь за счет пре¬
вентивных мер, экономичных и эффективных мероприятий без внесения
дорогих и существенных изменений в общепринятую практику проектиро¬
вания и строительства. Рекомендации предназначены для проектирования,
возведения и эксплуатации новых и реконструируемых зданий и сооруже¬
ний (далее сооружений) с применением большепролетных конструкций.
Рекомендации разработаны на основании анализа действующих зарубеж¬
ных и российских нормативных и технических документов для зданий мас¬
сового строительства и обобщения опыта проектирования, возведения и
эксплуатации большепролетных сооружений [7.1].
До последнего времени требования по предотвращению лавинообразно¬
го (прогрессирующего) обрушения содержались в документах, которые
относятся только к жилым и офисным многоэтажным зданиям [7.4, 7.5, 7.6,
7.12,	7.13, 7.14, 7.15, 7.18, 7.19]. Анализ имеющихся материалов показал,
что эта сложная проблема не может быть решена универсальными метода¬
ми, ее постановка и решение должны быть отражены в рекомендациях по
проектированию зданий и сооружений конкретных типов.
Большинство зарубежных строительных стандартов учитывают воз¬
можность возникновения и потенциальные последствия лавинообразного
(прогрессирующего) обрушения от аварийных воздействий. Однако сего¬
дня отсутствуют единые общепринятые определения (термины) по этой
проблеме. Наиболее четкое определение дано в стандарте ASCE 7-02 [7.11]
как «распространение начального локального повреждения в виде цепной
реакции от элемента к элементу, которое в конечном счете приводит к об¬
рушению всего сооружения или непропорционально большой его части».
Стандартом также определено, что сооружения должны быть разработаны
так, «чтобы конструктивная система в целом оставалась устойчивой и не
поврежденной в степени, непропорциональной первоначальному местному
воздействию». Причиной разрушения может быть любая из множества ава¬
рийных ситуаций, которые не рассматриваются в обычном проектирова¬
нии. В то же время землетрясения, пожары, сильные ветры, включенные в
строительные нормы, также не должны приводить к лавинообразному
(прогрессирующему) обрушению.
308

В примечаниях к ASCE 7-02 [7.11] указано, «что специально разрабо¬
танные для всего сооружения защитные мероприятия по предотвращению
общего обрушения при аварийных воздействиях, действующих непосред¬
ственно на часть сооружения, обычно не оптимальны. Однако конструкции
должны быть разработаны так, чтобы ограничить эффект местного разру¬
шения и предотвращать или минимизировать лавинообразное (прогресси¬
рующее) обрушение». Сооружения должны проектироваться, возводиться и
эксплуатироваться так, чтобы ущерб, возникающий как следствие аварий¬
ных событий, не достигал размеров, несоизмеримо больших, чем последст¬
вия начального локального повреждения.
Отметим, что часто употребляемый термин «прогрессирующее обруше¬
ние» прямолинейный, не очень удачный перевод с английского языка.
Предлагается использовать термин «лавинообразное обрушение», который
более точен и отражает существо вопроса.
Существующие подходы по предотвращению лавинообразного обруше¬
ния можно объединить в две основные группы: прямой и косвенный методы.
Прямой метод [7.4, 7.5, 7.6, 7.11, 7.14] предусматривает прямое (яв¬
ное) рассмотрение сопротивления лавинообразному обрушению при проек¬
тировании и включает два варианта.
Вариант 1. Требование, чтобы конструктивная система не теряла несу¬
щую способность в случае удаления части элементов при аварийных воздей¬
ствиях. Конструктивная система проектируется так, чтобы перекрыть потерю
одного или нескольких несущих элементов, обеспечивая альтернативные
пути передачи нагрузок за счет перераспределения усилий, ограничивая и
локализуя область повреждения. Для этого варианта требуется задание до¬
пустимой минимальной площади или объема повреждения здания. Работа
всей конструкции может быть проанализирована путем удаления в расчетной
схеме одного или нескольких элементов с одновременной проверкой возмож¬
ности лавинообразного обрушения. Однако практически весьма сложно обос¬
новать отвлеченное удаление того или иного элемента, выбрать наиболее зна¬
чимый элемент среди большого количества возможных локальных поврежде¬
ний и определить допустимые количественные критерии повреждений.
Вариант 2. Требование, чтобы сооружение (или его часть) было бы за¬
проектировано так, чтобы противостоять заданным аварийным воздействи¬
ям или угрозам. В этом случае прочность, целостность и жесткость конст¬
руктивных «ключевых» элементов, способных, в дополнение к сущест¬
вующим нагрузкам, воспринимать аварийные воздействия, обеспечивается
их усилением. Конструктивные мероприятия по усилению могут иметь
различные формы в зависимости от материала несущих элементов, назна¬
чения здания и т. д. Этот вариант предполагает обязательное нормирование
интенсивности аварийного воздействия.
Косвенный метод [7.12, 7.13] предусматривает непрямое рассмотрение
сопротивления лавинообразному обрушению при проектировании и вклю¬
чает также два варианта.
309

Вариант 1. Устранение или уменьшение влияния аварийных воздейст¬
вий и потенциальной опасности в целом за счет применения превентивных
или организационных мероприятий.
Вариант 2. Избыточное повышение степени статической неопредели¬
мости системы. Вариант достигается, например, включением в рамную
конструкцию дополнительных связей, пространственной работой конст¬
рукции, за счет включения в работу второстепенных элементов и т. п.
В последние годы в зарубежные строительные нормы введено понятие
риска, предложены подходы для определения уровня риск/последствие,
оценки проектных мер предотвращения лавинообразного обрушения, кото¬
рые учитывают ценность и уязвимость сооружения. Отмечено, что никаки¬
ми экономически оправданными мерами нельзя полностью исключить риск
отказа любого несущего элемента. Каждое сооружение имеет некоторую
вероятность разрушения. Попытка приблизить эту вероятность к нулю со¬
провождается стремлением стоимости сооружения к бесконечности [7.3].
Кроме того, сооружения не могут быть совершенно свободными от риска
обрушения из-за неопределенностей требований к системе, разброса тех¬
нических свойств строительных материалов, трудностей адекватного моде¬
лирования поведения системы даже с использованием современных про¬
граммных комплексов. Рассматриваются варианты, когда защита сооруже¬
ний в аварийных ситуациях в первую очередь должна быть ориентирована
не на недопущение разрушений, а на обеспечение безопасности людей и
возможности их эвакуации, на реализацию необходимого для этого запаса
времени и т. п.
Обращено внимание, что в настоящее время отсутствует общепринятый
научно обоснованный подход или практика проектирования сооружений,
которые сохранили бы структурную целостность при различных вариантах
расчетных нагрузок и аварийных воздействий. Отмечена трудность теоре¬
тического определения возможности лавинообразного обрушения соору¬
жения ввиду отсутствия четких определений, начиная от вероятности воз¬
никновения и величины предполагаемой опасности. В большинстве случа¬
ев аварийные воздействия не могут быть определены количественно и
неизвестна степень возможных начальных повреждений. Не разработаны
аналитические методы определения начальных повреждений и прогнозиро¬
вания вероятности последующего лавинообразного обрушения сооружения
из-за предполагаемых аварийных воздействий. Невозможно использовать
численные методы расчета МКЭ ввиду отсутствия подробных знаний пове¬
дения конструкций при лавинообразном обрушении, а также достаточного
опыта построения структурных комплексных моделей и интерпретации
результатов вычислений. Необходимы разработки по развитию усовершен¬
ствованной методики оценки уязвимости конструктивных систем и их со¬
вершенствования для смягчения лавинообразного обрушения при различ¬
ных вариантах опасности. Инженеры нуждаются в простых методах проек¬
тирования и расчетов, способных предотвратить потенциальную опасность
лавинообразного обрушения сооружений.
310

§ 7.2. Требования к проектированию большепролетных
сооружений по обеспечению их безопасности
от лавинообразного обрушения
Существующий опыт проектирования показывает, что в большинстве
случаев невозможно обеспечить жизнеспособность большепролетных сис¬
тем после отказа основных (ключевых) несущих конструктивных элемен¬
тов (например, опорного контура висячих или выпуклых оболочек, несу¬
щих пилонов или главных канатов вантовых систем и т. п.). Требо¬
вание, чтобы подобные конструкции не теряли несущую способность в
случае удаления ключевых элементов при аварийных воздействиях, невы¬
полнимо. При буквальном соблюдении п. 1.10 ГОСТ 27751-88 [1.6], ка¬
сающегося этого вопроса, реальное проектирование таких объектов стано¬
вится невозможным ввиду нечеткости и неопределенности части требова¬
ний этого раздела нормативного документа. Это требование не определено
никакими нормативными документами, что исключает возможность его
выполнения при проектировании. Какие элементы следует исключать при
расчетах, в каком количестве, в какой последовательности, какие расчет¬
ные сочетания нагрузок принимать для этого случая? Следует ли при этом
учитывать причину отказа, вид отказа и возможные его последствия?
Наиболее рациональный и экономичный метод обеспечения безопасно¬
сти большепролетных сооружений от лавинообразного обрушения конст¬
рукций при аварийных воздействиях — использование превентивных мер,
максимально учитывающих различные аварийные ситуации.
7.2.1.	Аварийные расчетные ситуации и воздействия
Аварийная расчетная ситуация — явление, представляющее исклю¬
чительные условия работы конструкции на аварийные воздействия, имею¬
щие малую вероятность появления и небольшую продолжительность, но
приводящие в большинстве случаев к тяжелым последствиям.
При проектировании должны учитываться следующие аварийные си¬
туации.
1.	Аварии или значительные повреждения несущих конструкций, вызван¬
ные ошибками проектирования, изготовления или монтажа, ненадлежащим
качеством материалов, нарушением правил эксплуатации сооружения и т. п.
2.	Взрывы (взрывоопасные материалы и бытовой газ, промышленные
взрывы, взрывные устройства, используемые террористами).
3.	Аварии оборудования.
4.	Столкновения с движущимися транспортными средствами.
5.	Пожары.
6.	Сейсмические воздействия.
7.	Карстовые воронки и провалы в основаниях сооружений.
Анализ статистических данных показывает, что из перечисленных выше
аварийных ситуаций ошибки проектирования, изготовления или монтажа,
ненадлежащее качество материалов, неправильная эксплуатация сооруже¬
ний имеют наибольшую вероятность.
311

Аварийные ситуации и воздействия подразделяются на проектные
(нормированные) и запроектные (ненормированные). Проектные аварий¬
ные ситуации и воздействия (п. 5, 6, 7 вышеприведенного списка, а также
промышленные взрывы) регламентируются в соответствующих разделах
нормативных и технических документов [7.2, 7.7, 7.8, 7.9]. Запроектные
аварийные ситуации и воздействия (п. 1 +4 вышеприведенного списка) тре¬
буют особого анализа и разработки рекомендаций в рамках «Технического
задания» и «Специальных технических условий» на проектирование, ут¬
верждаемых заказчиком для каждого большепролетного сооружения. Там
же оговаривается требуемый уровень надежности сооружения и обеспечи¬
вающий его перечень мероприятий по снижению опасности (предотвраще¬
нию) аварийных воздействий.
7.2.2.	Мероприятия по обеспечению безопасности
большепролетных сооружений от лавинообразного обрушения
при аварийных воздействиях
Безопасность большепролетных сооружений от лавинообразного обру¬
шения конструкций при аварийных воздействиях должна быть обеспечена
правильным выбором и применением одного или нескольких перечислен¬
ных ниже мероприятий, в ряде случаев соответствующих определенному
аварийному воздействию.
1.	Назначение необходимых запасов несущей способности основных эле¬
ментов конструкций, в первую очередь обеспечивающих общую устойчи¬
вость сооружения; обязательная независимая экспертиза законченной доку¬
ментации на стадии «Проект», а в ряде случаев (по требованию заказчика)
независимая экспертиза законченной «Рабочей документации» перед сдачей
ее в производство (для минимизации влияния возможных ошибок проектиро¬
вания, изготовления, монтажа или неправильной эксплуатации сооружения).
2.	Исключение или предупреждение опасности аварийных воздействий,
которым может подвергаться конструкция или объект.
3.	Выбор рациональных конструктивных решений и материалов, обес¬
печивающих несущую способность сооружения даже при наличии локаль¬
ных (в пределах одного конструктивного элемента) повреждений.
4.	Проектирование ключевых элементов, с учетом возможности воспри¬
ятия аварийных воздействий в дополнение к стандартным проектным на¬
грузкам и воздействиям.
5.	Мониторинг состояния несущих конструкций и организация надле¬
жащей эксплуатации сооружения.
Перечисленные мероприятия должны обеспечиваться квалифицирован¬
ным выполнением проектных и строительных работ, использованием над¬
лежащих стройматериалов, выбором методов контроля и приемки и обяза¬
тельным их выполнением на всех стадиях проектирования, возведения и
эксплуатации сооружения.
На стадии проектирования большепролетных сооружений рекомендует¬
ся рассматривать несколько взаимосвязанных подходов по обеспечению
312

безопасности конструкций от лавинообразного обрушения при аварийных
воздействиях.
•	Системный принцип — оценка уязвимости примененных конструк¬
тивных схем при аварийных воздействиях и лавинообразном обрушении,
разработка решений, которые являются эффективными для уменьшения
последствий при различных сценариях угрозы.
•	Превентивные меры безопасности — снижение степени опасности
аварийных воздействий.
•	Замедление обрушения — для обеспечения достаточного времени и пу¬
тей эвакуации из здания после начала локального повреждения конструкции.
При принятии решений должны учитываться:
-	причины и вид аварийных воздействий;
-	возможные последствия лавинообразного обрушения, включающие опас¬
ность для жизни и увечий людей, экономические и социальные потери;
-	стоимость и сложность мероприятий по обеспечению безопасности кон¬
струкций от лавинообразного обрушения при аварийных воздействиях.
Применительно к одному и тому же уровню обеспечения безопасности
конструкций от лавинообразного обрушения при различных аварийных
воздействиях варианты мероприятий могут быть взаимозаменяемыми.
Ужесточение мер одного типа может компенсировать ослабление мер дру¬
гого типа. Различные решения могут соответствовать определенному типу
угрозы. Например, в случае пожара для сохранения несущей способности
системы могут быть эффективны более долговечные огнезащитные покры¬
тия. Однако в большинстве случаев следует принимать рациональное соче¬
тание нескольких методов. Такой объединенный подход минимизирует
расход средств при существенном улучшении способности конструкций
сопротивляться лавинообразному обрушению при аварийных воздействиях.
Требования по обеспечению безопасности конкретного большепролет¬
ного сооружения от лавинообразного обрушения конструкций при аварий¬
ных воздействиях, предусмотренные строительными нормативными доку¬
ментами и настоящими «Рекомендациями», должны быть обязательно отра¬
жены в «Специальных технических условиях», согласованных с авторами
проекта, организацией, проводящей экспертизу проектной документации, и
утвержденных заказчиком.
§ 7.3. Учет опасности лавинообразного обрушения
конструкций, обусловленной ошибками проектирования,
изготовления, монтажа или неправильной эксплуатацией
сооружения
Выполняется анализ работы конструкции с целью выявления «ключе¬
вых» элементов (расположенных в местах вероятных аварийных воздейст¬
вий), выход из строя которых влечет за собой лавинообразное обрушение
всей конструкции. Для указанных элементов и узлов вводятся дополни¬
тельные коэффициенты условий работы, определяемые в «Специальных
313

технических условиях» на проектирование конкретного большепролетного
сооружения, в соответствии с рекомендациями табл. 7.1. Величины коэффи¬
циентов регламентируются в зависимости от расчетного срока эксплуатации
и пролета сооружения, степени ответственности «ключевых» элементов.
Таблица 7.1
Дополнительные коэффициенты условий работы
№
п/п
Ключевые
элементы
конструкции
Пролет,
м
Дополнительные коэффициен¬
ты условий работы ус,ДОп в за¬
висимости от расчетного срока
эксплуатации сооружения
до 50
лет
от 50 до
75 лет
свыше
75 лет
1
Сжатые и растянутые
железобетонные и сталь-
ные опорные контуры
оболочек покрытий
До 50
1,0
0,95
0,9
От 50 до 100
0,95
0,9
0,85
Свыше 100
0,9
0,85
0,8
2
Главные ванты
и трос-подборы
висячих покрытий
До 50
1,0
0,95
0,9
От 50 до 100
0,95
0,9
0,85
Свыше 100
0,9
0,85
0,8
3
Основные колонны
по периметру
сооружения
До 50
1,0
0,95
0,9
От 50 до 100
0,95
0,9
0,85
Свыше 100
0,9
0,85
0,8
4
Основные несущие
элементы пролетной
конструкции
До 50
1,0
0,95
0,9
От 50 до 100
0,95
0,9
0,85
Свыше 100
0,9
0,85
0,8
Примечания:
1.	Дополнительный коэффициент условия работы ус>доп уменьшает допускаемое
расчетное сопротивление материала.
2.	Приведенные в табл. 7.1 дополнительные коэффициенты условия работы ус>доп
следует учитывать одновременно с коэффициентом надежности по назначению
у„ и коэффициентами условий работы элементов и соединений в соответствии с
требованиями действующих нормативных документов.
В «Специальных технических условиях» принимается требование обя¬
зательного выполнения независимой экспертизы законченной документа¬
ции на стадии «Проект», а в ряде случаев (по требованию заказчика) неза¬
висимой экспертизы законченной «Рабочей документации» перед сдачей ее
в производство, в том числе выполнение поверочных расчетов с целью по¬
вышения качества проекта, исключения возможных ошибок. Экспертиза
должна выполняться специалистами, имеющими практический опыт про¬
ектирования сооружений подобного рода.
314

§ 7.4. Исключение или предупреждение опасности
аварийных воздействий, которым может подвергаться
конструкция или объект
Рекомендуется применение превентивных мер безопасности [7.15, 7.16,
7.17], исключающих, предупреждающих или снижающих до минимума
влияние аварийных воздействий, которым может подвергаться конструк¬
ция или объект.
•	Запрещается хранение взрывчатых материалов в сооружении или для
их хранения следует предусматривать специально оборудованные помеще¬
ния с постоянным контролем выполнения правил их эксплуатации.
•	Перед сооружением через определенные интервалы устанавливаются
прочные ограждения: массивные тумбы, надолбы, подпорные стенки, за¬
граждения из тросов или система искусственных защитных барьеров типа
стен, заборов, уступов, траншей, водоемов, посадок деревьев и т. п. для
воспрепятствования приближения транспортных средств к сооружению, в
том числе с целью террористического нападения.
•	Увеличиваются размеры зон, недоступных для террористической уг¬
розы, за счет увеличения не менее чем на 50 м расстояния между защищен¬
ным периметром и фасадами сооружения. Площадку подъезда рекоменду¬
ется располагать ниже пола первого этажа здания. Минимальные размеры
зон, обеспечивающие требуемый уровень защиты против террористических
нападений, устанавливаются специальными стандартами для различных
типов сооружений или разделами проекта конкретного сооружения.
•	Предусматривается и выполняется комплекс антитеррористических
организационных мероприятий по защите сооружения по периметру. Пре¬
дусматривается въездной контроль с применением специальных средств:
надежные управляемые барьеры на въездах, исключающие возможность
силового проезда (тарана) транспортными средствами, контрольно-про¬
пускные пункты, система наблюдения, защита от проникновения внутрь
здания с помощью стальных решеток, экранов из стальной сетки, датчиков
защитной сигнализации, технические средства досмотра и т. п.
Разработка и детализация превентивных защитных мер безопасности
выполняется специализированными организациями в особых разделах про¬
екта конкретного большепролетного сооружения. Предусматриваются тех¬
нические (объемно-планировочные, конструктивные, инженерные, органи¬
зационные) мероприятия, обеспечивающие своевременную, беспрепятст¬
венную и безопасную эвакуацию людей при возникновении аварийных
воздействий.
§ 7.5. Выбор оптимальных (рациональных) конструктивных
решений и материалов
Конструктивные решения должны обеспечивать несущую способность
сооружения даже при локальных повреждениях, предотвращать лавинооб¬
разное обрушение системы вследствие разрушения второстепенных элемен¬
315

тов конструкции, узлов и деталей (связи, элементы, обеспечивающие устой¬
чивость «ключевых» конструкций, и т. п.). Устойчивость сооружения против
лавинообразного обрушения следует обеспечивать применением соответст¬
вующих конструктивных мер и материалов, в том числе способствующих
развитию в конструктивных элементах и их соединениях пластических де¬
формаций; рациональным решением системы связей и элементов соединений.
Специальное внимание следует уделять расчетам и конструированию
узлов, выполняя их равнопрочными сопрягаемым элементам по опорным
сечениям или, когда сечения подобраны по гибкости или по прочности про¬
летного сечения, применяя дополнительный коэффициент условия работы
Ус,доп = 0,85. Стыки элементов располагать вне зоны максимальных усилий.
Следует применять материалы с повышенными требованиями к их пла¬
стичности, хладостойкости и свариваемости. Качество и марки материалов
стальных конструкций следует принимать с учетом степени ответственности
большепролетных сооружений для группы 1 по табл. 50 СНиП 11-23-81 с
дополнительными требованиями. По содержанию вредных примесей не бо¬
лее: сера < 0,01 %, фосфор < 0,015 %. По ударной вязкости: KCV"40 > 29
Дж/см2. Z-свойства — группа качества не менее чем z25 по ГОСТ 28870-99.
Контроль УЗК — не менее 2-го класса сплошности по ГОСТ 22727-77.
Полный комплекс требований к качеству материалов должен быть отражен
в «Технических условиях по изготовлению конструкций».
Для стальных «ключевых» элементов рекомендуется использовать кон¬
структивно-технологические решения, не вызывающие значительную кон¬
центрацию напряжений, уменьшающие растягивающие напряжения в на¬
правлении толщины проката. Материал «ключевых» элементов конструк¬
ций в зонах, воспринимающих растягивающие напряжения по толщине
листа, до сварки следует подвергать сплошному ультразвуковому дефекто¬
скопическому контролю. Конструктивные и технологические решения
должны уменьшать влияние остаточных сварочных деформаций и напря¬
жений. Стальные периметральные колонны (стойки) из труб и стальные
наружные опорные контуры коробчатого сечения должны быть заполнены
бетоном марки не ниже В10.
Железобетонные основные несущие элементы следует проектировать с
увеличенным количеством хомутов, постановкой спиральной арматуры или
использованием внешнего листового армирования. В случае применения
предварительно напряженного и сборного железобетона необходимо обра¬
щать дополнительное внимание при проектировании и изготовлении эле¬
ментов, узлов и деталей. Для железобетонных конструкций следует учиты¬
вать их постпредельное состояние; работу конструкций при сверхбольших
деформациях и прогибах, а также со значительным раскрытием ширины
трещин.
Необходима разработка (в соответствии с п. 3.3 СП 53-101-98 [7.10])
«Технических условий на изготовление и монтаж конструкций», содержа¬
щих дополнительные требования и основные положения показателей каче¬
ства применяемых материалов, изготовления и монтажа конструкций, ме¬
316

тоды их контроля и приемки, не входящие в действующие нормативно¬
технические документы или регламентирующие более высокие требования.
При необходимости использовать специальные технические решения,
определяющие огнестойкость и сейсмическую устойчивость сооружений,
воспринимающие воздействие промышленных взрывов, противостоящие
отказам фундаментов при возникновении карстовых воронок или провалов
в основаниях сооружений.
Рекомендуется применять взрывоустойчивые конструкции и материалы,
соответствующие огнезащитные покрытия. Нижние части (на высоту не
менее 3 м от уровня земли) основных периметральных колонн (стоек) и
оттяжек следует усиливать за счет увеличения их массивности (бетониро¬
ванием), облицовки стальными листами толщиной не менее 20 мм или
композиционными материалами из углепластика.
Рекомендуется в качестве большепролетных покрытий использовать
пространственные конструкции — сплошные и стержневые оболочки, ку¬
пола, висячие вантовые, тонколистовые (мембранные) и тентовые покры¬
тия, стержневые пространственные конструкции (структуры), перекрест¬
ные системы. При применении традиционных конструкций — ферм, рам,
арок и т. п. следует повышать степень статической неопределимости сис¬
темы за счет включения в конструкцию дополнительных связей, обеспечи¬
вающих пространственную работу конструкции.
§ 7.6. Проектирование «ключевых» элементов, способных
воспринимать аварийные воздействия в дополнение
к стандартным проектным нагрузкам и воздействиям
Этот вариант рекомендуется применять при невозможности использо¬
вания превентивных мероприятий. Он предполагает обязательное норми¬
рование интенсивности аварийных воздействий и объема допускаемых по¬
вреждений. При этом следует иметь в виду, что невозможны никакие прак¬
тические меры по усилению конструкций сооружения, которые позволили
бы в полной мере исключить последствия взрыва.
Прочность и устойчивость сооружения против лавинообразного обру¬
шения проверяются расчетом конструкций на особое сочетание нагрузок и
воздействий, включающих постоянные и временные длительные нагрузки,
по [1.14], а также на одно из аварийных воздействий, соответствующих
определенной чрезвычайной ситуации. В этих расчетах не следует учиты¬
вать коэффициент надежности по ответственности сооружения.
Сосредоточенные или распределенные нагрузки на основные («клю¬
чевые») элементы. Величина, направление и места приложения нагрузок
и воздействий должны быть определены «Специальными техническими
условиями» на проектирование конкретного большепролетного сооруже¬
ния по рекомендациям специализированных организаций. При этом мини¬
мальные величины расчетных аварийных нагрузок и воздействий должны
приниматься:
317

-	для стержневых элементов в виде сосредоточенной силы не менее чем
35 кН (3,5 т);
-	для пластинчатых и оболочечных элементов не менее чем 10 кН (1 т) на
1 м2 поверхности рассматриваемого элемента;
-	образование карстовой воронки диаметром 6 м, расположенной в любом
месте под фундаментами сооружения (для карстоопасных районов), не¬
равномерные осадки основания.
Все основные несущие конструкции (периметральные стойки, радиаль¬
ные стержневые элементы куполов и оболочек и т. п.) должны быть спо¬
собны к восприятию особых сочетаний нагрузок и воздействий при исклю¬
чении из работы одного из примыкающих второстепенных элементов
(кольцевых распорок, прогонов, связей и т. п.), повреждении ограждающих
конструкций, обеспечивающих устойчивость основных несущих конструк¬
ций на участке общей площадью до 40 м2. В этом случае расчетная длина
основных несущих конструкций удваивается.
В расчетах на локальные аварийные воздействия на отдельные элемен¬
ты следует использовать пространственную расчетную модель. Такая мо¬
дель может учитывать элементы, которые при нормальных эксплуатацион¬
ных условиях не являются несущими, а при наличии локальных воздейст¬
вий участвуют в перераспределении нагрузок. Расчетная схема сооружения
должна учитывать возможность изменения характера работы системы в
целом и отдельных элементов: последовательное исключение конструктив¬
ных элементов, изменение знака усилий, перераспределение нагрузок, из¬
менение прочностных и жесткостных характеристик материала и т. п.
Возможны три варианта расчетов: линейный статический, нелинейный
статический и нелинейный динамический.
•	Линейный статический. Расчетные предпосылки основаны на малых
деформациях системы и упругой работе материала.
•	Нелинейный статический. Учитывается физическая и геометрическая
нелинейность с учетом истории нагружения от нулевого состояния до ис¬
черпания несущей способности.
•	Нелинейный динамический. Учитывается физическая и геометрическая
нелинейность. Динамический анализ выполняется путем мгновенного уда¬
ления одного из элементов из загруженной конструкции и анализа работы
системы до затухания колебаний.
Выбор варианта расчета должен определяться в «Специальных техниче¬
ских условиях» на проектирование конкретного большепролетного соору¬
жения. Рекомендуется расчеты выполнять на статические нагрузки и воз¬
действия, при необходимости с учетом геометрической и физической нели¬
нейности, использования для железобетонных конструкций метода теории
предельного равновесия. При этом усилия от аварийных воздействий на уз¬
ловые элементы и соединения рекомендуется увеличивать на 15 %.
Расчетные прочностные и деформационные характеристики материа¬
лов следует принимать равными их нормативным значениям согласно
действующим нормам проектирования. Эти характеристики сопротивле¬
318

ния материалов для ненормируемых (запроектных) аварийных воздейст¬
вий допускается повышать за счет использования дополнительных коэф¬
фициентов надежности и коэффициентов условий работы, учитывающих
малую вероятность аварийных воздействий, использования работы ме¬
таллических конструкций и арматуры за пределом текучести материала, а
также интенсивный рост прочности бетона в начальный период после
возведения сооружения.
Коэффициенты надежности материалов рекомендуется принимать: для
пластичных сталей — 1,1, для железобетона — 1,15. Коэффициенты усло¬
вий работы рекомендуется принимать: для стальных конструкций — 1,05,
для железобетона — 1,15.
Так как расчеты с учетом пластичности приводят к большим деформа¬
циям и потенциальной возможности образования цепочки шарниров пла¬
стичности, расчетный анализ системы должен подтвердить ее неизменяе¬
мость. При этих расчетах необходимо учитывать все нагрузочные факторы
и их воздействие на жесткостные характеристики элементов с учетом пла¬
стичности.
Прочность и устойчивость сооружения (за исключением уникальных,
отказы которых могут привести к тяжелым экономическим, социальным и
экологическим последствиям), в случае локального аварийного воздейст¬
вия на отдельные элементы, должны быть обеспечены как минимум на
время, необходимое для эвакуации людей. Перемещения конструкций и
раскрытие в них трещин в рассматриваемых чрезвычайных ситуациях не
ограничиваются.
Литература к главе 7
7.1.	Временные рекомендации по обеспечению безопасности большепролетных
сооружений от лавинообразного (прогрессирующего) обрушения при аварий¬
ных воздействиях. МДС 20-2.2008. - М: ОАО «ЦПП», 2008.
7.2.	Динамический расчет сооружений на специальные воздействия. Справочник
проектировщика. -М.: Стройиздат, 1981.
7.3.	Райзер В.Д. Теория надежности в строительном проектировании. - М.: Изд-во
АСВ, 1998.
7.4.	Рекомендации по защите жилых каркасных зданий при чрезвычайных ситуа¬
циях. - М.: «НИАЦ», 2002.
7.5.	Рекомендации по защите монолитных жилых зданий от прогрессирующего
обрушения. - М.: «НИАЦ», 2005.
7.6.	Рекомендации по защите высотных зданий от прогрессирующего обрушения:
-М.: «НИАЦ», 2006.
7.7.	СНиП 21-01-97* «Пожарная безопасность зданий и сооружений». - М., 1999.
7.8.	СНиП П-7-85 «Строительство в сейсмических районах». - М., 1996.
7.9.	СП 50-101-2004. Проектирование и устройство оснований и фундаментов зда¬
ний и сооружений. - М., 2004.
7.10.	СП 53-101-98. Изготовление и контроль качества стальных строительных кон¬
струкций. - М., 1999.
319

7.11.	ASCE 7-02, «Minimum Design Loads for Buildings and Other Structures, 2002
edition,» American Society of Civil Engineers, Reston, VA, 2002.
7.12.	General Services Administration Washington, DC Draft, Progressive Collapse
Analysis Draft, Progressive Collapse Analysis Office Buildings and Major Moderni¬
zation Projects, 2003.
7.13.	National Bureau of Standards Washington, DC 20234 Report Number -GCR p.p.75-
78 The Avoidance of Progressive Collapse: Regulatory Approaches to the Problem,
1975.
7.14.	UFC 4-023-03, «Unified Faclities Criteria (UFC). Design of Buildings to Resist
Progressive Collapse», Department of Defense USA, 2005.
7.15.	UFC 4-010-01, «Unified Faclities Criteria (UFC). DoD Minimum Antiterrorism
Standard for Buildings», Department of Defense USA, 2002.
7.16.	UFC 4-010-02 «Unified Faclities Criteria (UFC). Design (FOUO): DOD Minimum
Antiterrorism Standoff Distances for Buildings», Department of Defense USA,
2002.
7.17.	UFC 4-022-02 «Unified Faclities Criteria (UFC). Selection and Application of Ve¬
hicle Barriers», Department of Defense USA, 2005.
7.18.	NYC, 1973, «Chapter 18, Resistance to Progressive Collapse Under Extreme Local
Loads, Appendix A - Rules of the City of New York, Building Code of the New
York City,» Gould Publications, Binghamton, NY 13901, 2001
7.19.	ENV 1991-2-7: 1998. Eurocode 1: Basis of design and actions on structures. Acci¬
dental actions due to impact and explosions. - Brussels: CEN, 1998.
320

Глава 8
АВАРИЙНЫЕ СИТУАЦИИ В СТРОИТЕЛЬСТВЕ
§ 8.1. Общие сведения
При проектировании и возведении уникальных сооружений решается
комплексная задача выбора оптимальных технических решений и материа¬
лов, согласованных с функциональным назначением и архитектурой объекта,
методами изготовления и монтажа конструкций, условиями эксплуатации,
строгого контроля на всех этапах строительного процесса. Обязательными
являются требования обеспечения проектной надежности, технологичности
и экономической эффективности, учет экологических и социальных факто¬
ров. Нарушение одного или нескольких указанных условий приводит к сни¬
жению надежности системы, возможности возникновения аварий или отказов.
Под аварией понимается обрушение, повреждение сооружения в целом,
его части или отдельного конструктивного элемента, а также превышение
ими предельно допустимых деформаций [8.1]. Отказ — нарушение рабо¬
тоспособности объекта вследствие недопустимого изменения его парамет¬
ров или свойств под влиянием внутренних процессов и/или внешних воз¬
действий. Отказ не всегда ведет к обрушению конструкции (потере ее на¬
дежности) с возможным риском для людей или материальным ущербом.
Отказ может привести к невозможности нормальной эксплуатации соору¬
жения (непредвиденные проблемы с основанием или фундаментом, чрез¬
мерная вибрация, протечки и т. п.).
При нарушении вышеизложенных правил возможно возникновение ава¬
рийных ситуаций. Приведем несколько известных примеров частичных или
общих обрушений большепролетных покрытий: Hartfort Coliseum (1978),
Pontiac Stadium (1982), Minnesota Metrodome (1983), купол испытательного
центра в Истре (1984), Миланский велотрек (1985), трансформирующееся
покрытие Олимпийского стадиона в Монреале (1988), козырек над трибу¬
нами футбольного стадиона в Корее (2002), аквапарк в Москве (2004) и т. д.
Участившиеся в последнее время сообщения об аварийных ситуациях в
строительстве требуют очень серьезного анализа, введения обязательного
строгого контроля на всех стадиях проектирования, возведения и эксплуа¬
тации сооружений.
Согласно [1.37] главная причина отказов в строительстве с вероятно¬
стью 50 % — ошибки проектирования. Другими причинами названы: на¬
рушения технологии монтажа (17,5 %); низкое качество материалов и кон¬
струкций (14,5 %); недоработка нормативных документов (4 %); прочие
причины и их сочетания (14 %). В работе [1.16] приведены несколько иные
данные: ошибки проекта — 25 %; дефекты изготовления и монтажа —
48 %; низкое качество материалов — 6 %; недоработка норм проектирова¬
ния — 4%; неправильная эксплуатация — 16 %; прочее — 1 %.
Ниже приведены расширенные данные по различным параметрам от¬
казов в строительстве. В [8.2, 8.3, 8.4] приведены численные значения
21 Заказ 1067
321

отказов и повреждений (табл. 8.1), там же даны причины отказов в про¬
центах (табл. 8.2). В табл. 8.3 приведен перечень отказов по стадиям их
возникновения согласно данным различных авторов, а в табл. 8.4 — типы
ошибок при проектировании и разработке технологии строительства.
Таблица 8.1
Внезапные отказы и недопустимые состояния
Тип отказа/повреждения
%
Внезапные отказы
(63 %)
Потеря устойчивости
13
Отказ с обрушением
29
Отказ без обрушения
И
Другие типы отказов
10
Недопустимые
состояния
(37 %)
Чрезмерные трещины
16
Отклонения и изменение формы
7
Ошибки в размерах и граничных условиях
8
Другие недопустимые состояния
6
Общее количество
100
Таблица 8.2
Причины отказов
%
Незнание, недобросовестность, халатность
35
Невнимательность, погрешность, ошибки
9
Другие причины из-за отсутствия достаточного контроля
6
Недооценка нагрузок и воздействий
13
Недостаточные знания
25
Другое, в т. ч. объективно неизвестные явления
12
Таблица 8.3
Распределения отказов по различным стадиям (%)
(данные различных авторов по [8.3])
Проектирование (П), строительство (С), эксплуатация (Э),
другие факторы (Д), общее количество (У)
[8.3]
П
С
э
д
У
1
2
3
4
5
6
1. Matousek
37
35
5
25
100
322

Окончание табл. 8.3
1
2
3
4
5
6
2. Brand & Glatz
40
40
—
20
100
3. Yamamoto & Ang
36
43
21
—
100
4. Grunau
40
29
31
—
100
5. Reygaertz
49
22
29
—
100
6. Melchers, et al
55
24
21
—
100
7. Fraczek
55
53
—
—
108*
8. Allen
55
49
—
—
104*
9. Hadipriono
19
27
33
20
99
Среднее
43
36
16
7
102*
Примечание. * — комбинированные причины > 100 %.
Таблица 8.4
Типы ошибок при проектировании и разработке
технологии строительства
Типы ошибок
%
Концептуальные ошибки
34
Конструктивные расчеты
34
Чертежи и спецификации
19
Проект производства работ
9
Комбинации факторов (разное)
4
Определено, что вероятность смертельного риска от конструктивных
отказов в строительстве в 2000 раз меньше, чем при аварийных ситуациях
на дорогах. В ряде зарубежных норм [1.38] рекомендуется рассматривать и
принимать меры против серьезных аварийных случаев с вероятностью воз¬
никновения приблизительно 10-4 в год или больше. Отметим, что число
разрушений от террористических нападений оказывается гораздо ниже этого
уровня.
Обобщение данных разных авторов по причинам отказов приводит к
следующим результатам. Ошибки проектирования — 2(Н55 %, нарушения
технологии изготовления и монтажа — 17,5-^53 %, неправильная эксплуа¬
тация — 5-43 %, низкое качество материалов — 6-44,5 %, недоработка
нормативных документов — до 4 %, прочие причины и их сочетания — до
25 %. Разброс приведенных величин может быть объяснен недостаточно¬
стью статистических материалов, различной методикой и несовершенством
оценки причин аварий и т. п. Настораживает большая доля ошибок при
проектировании, строительстве и эксплуатации. Указанные факторы, с оп-
21*
323

ределенной погрешностью, могут быть отнесены и к большепролетным
уникальным сооружениям. Эти случаи — уроки, на которых должны быть
изучены причины и механизмы аварий в строительстве, чтобы исключить
вероятность их возникновения в дальнейшем.
§ 8.2. Причины аварийных ситуаций
Статистические данные, опыт выявления причин обрушения показыва¬
ют, что в большинстве случаев катастрофические ситуации становятся ре¬
зультатом комплекса ошибок. Развитие технологий инициирует новые и
сложные проблемы. Отказы вызываются отдельными или комбинирован¬
ными причинами, не имеющими прецедентов. Недостатки проекта, к сожа¬
лению, зачастую становятся очевидными только после аварийных ситуаций.
Многолетний опыт исследований, проектирования и строительства,
анализ сообщений и свидетельств о различных отказах и авариях, обсужде¬
ния этих вопросов с другими профессионалами, в том числе с зарубежными
специалистами, позволили сформулировать предположения о некоторых
принципиальных причинах этой проблемы.
1.	Рост объемов строительства, в том числе технически сложных соору¬
жений, увеличивает количество отказов в абсолютных величинах при рав¬
ных относительных показателях.
2.	Развитие технологий в последние десятилетия определило появление
новых решений, материалов, методов проектирования и строительства, что
приводит к ранее неизученным сложным проблемам. Отказы вызываются
отдельными или комбинированными причинами, не имеющими прецеден¬
тов. Как это ни парадоксально, но зачастую это следствие новизны и инно¬
ваций, когда меняются даже основные принципы традиционного строи¬
тельного проектирования и практики строительства.
3.	Использование современной вычислительной техники имеет и обрат¬
ную сторону, растет риск ошибок. Сегодня инженеры зачастую пользуются
компьютером прежде, чем они начинают понимать принципиальную схему
работы сооружения в целом и отдельных его элементов в системе. Вслепую
расшифровывать численные результаты без первоначальных знаний поряд¬
ка ожидаемых расчетных величин недопустимо. Переопределенная уверен¬
ность в компьютерных расчетах с несовершенной моделью может приво¬
дить к серьезным ошибкам.
4.	В сферу строительства вовлекается все больше людей с недостаточ¬
ной или даже низкой квалификацией, резко снизилась общая культура
строительства. Зачастую проектируют и строят не очень грамотные люди,
без какого-либо практического опыта.
В силу ряда обстоятельств в нашей стране образовался разрыв поколе¬
ний специалистов. Как следствие — отсутствие преемственности инжене¬
ров, имеющих опыт практической работы, и выпускников вузов, где они, к
сожалению, не получают необходимых знаний в полном объеме. Успеш¬
ный процесс строительства невозможен без ясного представления всеми
324

участниками основных особенностей всей технологической цепочки проек¬
тирования, изготовления и возведения конструкций.
5.	Из-за незнания, недобросовестности или халатности нарушаются тре¬
бования нормативных документов и проектов, технология выполнения работ,
не выполняются или выполняются недостаточно строго требования операци¬
онного и технического контроля на всех этапах проектирования и строитель¬
ства, поэтапной приемки работ, необоснованно сокращаются сроки проекти¬
рования, изготовления и монтажа, в том числе технически сложных объектов.
6.	Возможные причины аварийных ситуаций при эксплуатации объектов:
-не обеспечиваются требования по эксплуатации строительных конст¬
рукций в соответствии с условиями, предусмотренными в проекте или в
нормах на проектирование;
-	не проводятся систематические осмотры основных несущих конструк¬
ций и узлов, позволяющие своевременно обнаруживать и контролиро¬
вать развитие дефектов в конструкциях, принимать в случае необходи¬
мости меры по усилению элементов, позволяющие на ранних стадиях
предотвращать возможные необратимые изменения системы;
-	аварийная ситуация не выявляется при осмотрах или не устраняется и
не контролируется должным образом;
-	персонал не подозревает об опасности или не рассматривает безопас¬
ность как важную часть своей работы, не знает о необходимых мерах
предосторожности или не способен выполнять свои функции (не обучен
должным образом, не способен к выполнению работы);
-	на технически сложных объектах зачастую не проводится в полном
объеме инструментальный мониторинг, позволяющий оценивать факти¬
ческую несущую способность конструкций; прогнозировать остаточный
ресурс сооружения и на этой основе принимать обоснованные решения
о продлении срока безаварийной эксплуатации объектов;
-	зачастую отсутствует соответствующее финансирование работ по нор¬
мальной эксплуатации и мониторингу сооружения.
§ 8.3. Некоторые рекомендации по снижению риска
аварийных ситуаций
Для снижения риска аварийных ситуаций (отказов) в строительстве, по¬
вышения надежности строительных систем необходимо выполнение ряда
основных условий и мероприятий.
1.	Развитие теоретических и экспериментальных исследований новых
конструктивных форм и строительных материалов. Здесь следует обратить
внимание на то, что невозможно пользоваться только старым багажом,
применять традиционные решения. Необходимы новые технологии и инно¬
вации в области строительства, изучение и применение зарубежного опыта.
Но их широкому использованию на практике должны предшествовать все¬
сторонние исследования, модельные и натурные испытания и наблюдения,
экспериментальное проектирование и строительство, анализ результатов
325

этой работы, разработка рекомендаций по проектированию и возведению
сооружений. Разработка новых конструктивных форм должна сопровож¬
даться обоснованием критериев технической безопасности объектов.
2.	Формирование и совершенствование (в том числе обоснованные и
своевременные пересмотры формул и коэффициентов) нормативно¬
технической базы, координация с международными строительными стан¬
дартами, участие в международном сотрудничестве в этой области. Воз¬
можно, наряду с российскими (СНиП, СП и т. п.) для конкретных объектов
следует разрешить использовать требования современных европейских
стандартов (Eurocode) с соответствующими указаниями в «Специальных
технических условиях (СТУ)».
В то же время инженеры не должны быть задавлены возрастающими
объемами и деталями современных норм, они обязаны четко понимать
факторы, лежащие в их основе. Большое количество информации потенци¬
ально связано с ростом ошибок.
Следует рассмотреть возможность разработки двухступенчатой систе¬
мы строительных норм — упрощенных, обязательных для надежного про¬
ектирования рядовых (типовых) объектов инженерами среднего уровня, и
более подробные, предназначенные для расчетов и проектирования с при¬
менением ПЭВМ нестандартных, технически сложных и уникальных, в
том числе большепролетных, объектов. Нормы первого уровня могут быть
полезны для разработки сложных проектов на стадии «П» и экспертной
оценки таких проектов.
3.	Обеспечение профессионализма на всех уровнях. Новые технические
решения требуют глубоких специальных знаний, необходим личный прак¬
тический опыт. Возможно, необходимо персональное (неформальное) ли¬
цензирование на проектирование и строительство уникальных большепро¬
летных сооружений. Улучшение образования инженеров-строителей, при¬
влечение к преподаванию в вузах практиков, обязательная длительная
преддипломная практика, изучение зарубежного опыта обучения.
4.	Всесторонний независимый анализ произошедших аварий, широкое
информирование участников строительного процесса и эксплуатационных
организаций о выявленных причинах и мерах по их предупреждению, кор¬
ректировка нормативной и проектной документации, подготовка методиче¬
ских документов по проектированию, строительству и эксплуатации зда¬
ний и сооружений на основании результатов исследований и выводов о
причинах аварий.
5.	Ужесточение системы строгого контроля и проверки на всех этапах
проектирования, согласования и экспертизы проекта, улучшение порядка
их утверждения. В большинстве случаев недостатки проекта становятся
очевидными только после аварийных ситуаций.
6.	Повышение качественного уровня проектирования сооружений.
6.1.	Проектирование должно основываться на выборе рациональных
конструктивных решений, отвечающих современным требованиям, увязан¬
ных с функциональным назначением, архитектурой, методами изготовле¬
326

ния и монтажа, условиями эксплуатации и обеспечивающих безопасность,
надежность и долговечность объекта; выдвигаемые идеи должны быть тех¬
нически и экономически обоснованы.
6.2.	Для минимизации человеческих ошибок проектирование должно
быть четко организовано, включая строгий контроль и приемку на всех
этапах, документированное разделение персональной ответственности.
Обязательными документами являются «Техническое задание (ТЗ)» и
«Специальные технические условия (СТУ)» на проектирование, которые
должны отражать специфику проектирования, строительства и эксплуата¬
ции, определять уровень ответственности и уникальность сооружения, рас¬
четный срок его эксплуатации, содержать дополнительные требования, не
входящие в действующие нормативно-технические документы или регла¬
ментирующие повышенные требования по нагрузкам и воздействиям, рас¬
четам, проектированию несущих конструкций, применению опытно¬
конструкторских и исследовательских работ.
6.3.	При разработке проекта обязателен комплексный учет природно-
климатических, силовых и других воздействий, возникающих в процессе
возведения и эксплуатации объекта; статической и динамической реакции
сооружения на различные нагрузки и воздействия, включая монтажные.
Проект должен основываться на достоверных и полных данных инженер¬
но-геологических и гидрогеологических изысканий.
6.4.	Необходим правильный выбор материалов с соответствующими
химическим составом, физико-механическими характеристиками с учетом
назначения и значимости объекта, района строительства, заданного срока
службы системы и условий ее эксплуатации, обеспечивающих запас проч¬
ности материалов, в том числе усталостной. Для основных несущих конст¬
рукций и узлов следует применять материалы с повышенными требова¬
ниями к их пластичности, хладостойкости и свариваемости.
6.5.	Расчетные схемы и предпосылки расчета обязаны максимально со¬
ответствовать действительной работе системы в процессе возведения и
эксплуатации. Расчетная схема должна быть максимально приближена к
натурной конструкции с учетом особенностей геометрии, свойств материа¬
лов и напряженно-деформированного состояния системы.
При выборе расчетной модели очень важны предыдущий опыт и интуи¬
ция. Это верно при рассмотрении характеристик и модели и идеализируе¬
мой реальной конструкции. Рекомендуется использование различных аль¬
тернативных подходов для сравнения результатов.
6.6.	Численные методы с использованием современной вычислительной
техники открывают возможности решения задач расчета сложных систем.
Для повышения надежности результатов расчеты рекомендуется проводить
с применением различных апробированных современных вычислительных
комплексов, с сопоставлением и анализом полученных данных. Необходи¬
мо ясное понимание работы сооружения, основанное на правилах строи¬
тельной механики. Это единственный путь плодотворного и безопасного
взаимодействия инженера с компьютером.
327

6.7.	Технически сложные уникальные сооружения имеют повышенный
уровень ответственности по назначению, отказы которых могут привести к
тяжелым экономическим и социальным последствиям. В этой связи возни¬
кают проблемы, выходящие за рамки существующих нормативных доку¬
ментов, дополнительные требования к номенклатуре и объемам изысканий
и проектных работ, изготовлению и монтажу конструкций, правилам их
приемки и эксплуатации, которые должны быть отражены в СТУ.
Новизна технических решений требует от инженера-конструктора глубо¬
ких специальных знаний, практического опыта. Наиболее важной особенно¬
стью процесса является генерирование идей, основанное на творческом по¬
тенциале проектировщика. Этот процесс не может быть компьютеризирован,
компьютеру следует отвести правильную роль — роль технического инстру¬
мента.
6.8.	Статические и динамические расчеты несущих конструкций долж¬
ны выполняться по пространственной расчетной схеме, включая фунда¬
менты и основания, с учетом продольных, изгибных и крутильных жестко¬
стей элементов; их проектных связей, узловых эксцентриситетов и т. п.
Расчеты выполняются на все возможные сочетания нагрузок и воздействий
на конструкцию и ее элементы, подтверждающие прочность и устойчи¬
вость системы и отдельных элементов, в случае необходимости с учетом
физической и геометрической нелинейности.
6.9.	Для уникальных сооружений обязательна независимая экспертиза
законченной рабочей документации перед сдачей ее в производство. Цель
такой экспертизы — повысить качество проекта, исключить возможные
грубые ошибки, снизить вероятность возникновения аварийных ситуаций.
Кроме расчетов, выполняемых авторами проекта, независимой экспертной
организацией должны быть выполнены полноценные поверочные расчеты
с применением другого расчетного комплекса.
Экспертиза (прежде всего при внедрении новых конструктивных форм
из-за отсутствия опыта применения аналогичных решений), с одной стороны,
должна исключать угрозу недооценки при проектировании разнообразия,
характера и уровня внешних воздействий, а также параметров изменения во
времени свойств материалов, а с другой — выявлять необоснованные избы¬
точные резервы несущей способности сооружения. Здесь большую роль мог¬
ли бы сыграть обязательное страхование строительных рисков и соответст¬
вующая независимая экспертиза, сопровождающая весь процесс возведения.
6.10.	Запроектированная конструкция неизбежно отличается от постро¬
енной. С точки зрения безопасности объекта, важно знать его фактические
параметры, реальные свойства составляющих элементов и их действитель¬
ное поведение при эксплуатации. После окончания строительства уникаль¬
ных объектов в ряде случаев рекомендуется проведение дополнительных
проверочных расчетов, чтобы определить, насколько конструкция далека
от предельного состояния. С учетом этой информации расчетная модель,
используемая в проекте, может быть максимально приближена к реальной,
позволяя более точно определить ресурс ее долговременной надежности.
328

6.11.	Специальное внимание следует уделять расчетам и конструирова¬
нию узлов. Стыки элементов следует располагать вне зоны максимальных
усилий. Расчеты сложных узлов несущих конструкций следует выполнять
моделированием элементов пластинчатыми или объемными конечными
элементами с учетом нелинейной диаграммы материала ст—е. Узлы, в ко¬
торых возникают пластические деформации противоположных знаков (при
двух возможных сочетаниях расчетных нагрузок и воздействий), подлежат
дополнительной проверке на малоцикловую усталость.
6.12.	При проектировании уникальных большепролетных сооружений
необходимо учитывать возможность возникновения аварийных расчетных
ситуаций и меры по предотвращению лавинообразного обрушения [7.1].
Следует понимать, что каждое сооружение имеет некоторую вероятность
разрушения, попытка приблизить ее к нулю сопровождается стремлением
стоимости сооружения к бесконечности.
Рекомендуется исключение или снижение до минимума влияния ава¬
рийных воздействий, путем принятия в первую очередь превентивных мер
с использованием экономичных и эффективных решений. Работоспособ¬
ность таких сложных систем должна достигаться в первую очередь необхо¬
димыми запасами несущей способности основных («ключевых») элементов
конструкций, выбором рациональных конструктивных решений и материа¬
лов, а также комплексом антитеррористических организационных меро¬
приятий. Необходимо привлечение специализированных организаций для
разработки рекомендаций по обеспечению жизнеспособности сооружения
при экстремальных ситуациях, в том числе противопожарные и антитерро-
ристические мероприятия.
6.13.	Обеспечение высокой надежности уникальных сооружений пред¬
полагает обязательное комплексное научно-техническое сопровождение
проектирования и возведения, которое может включать: разработку реко¬
мендаций по назначению отсутствующих в нормах нагрузок и воздействий,
в том числе климатических, на основании продувок модели в аэродинами¬
ческой трубе; изготовление и исследование физической модели сооруже¬
ния и отдельных натурных узлов; разработку методики расчета, составле¬
ние и исследование расчетной схемы сооружения, выполнение поверочных
расчетов и т. д.
7.	Усиление контроля на всех этапах строительства, в процессе изготов¬
ления конструкций, изделий и материалов, строгий операционный, лабора¬
торный и геодезический контроль в процессе строительно-монтажных ра¬
бот, сдачи объекта, а также его эксплуатации. Проверка полноты, своевре¬
менности и достоверности результатов строительного контроля и
соблюдения в процессе строительства требований нормативных докумен¬
тов, проектной документации, СТУ.
8.	В случае применения нестандартных решений, материалов, конст¬
рукций выполняются работы по научно-техническому сопровождению из¬
готовления и монтажа конструкций. Разрабатываются «Технические усло¬
вия» с дополнительными требованиями, не входящими в действующие
329

нормативно-технические документы или регламентирующими повышен¬
ные требования, устанавливающими основные положения показателей ка¬
чества, а также методы их контроля и т. п.
9.	Повышенные требования к надежности уникальных сооружений оп¬
ределяют необходимость мониторинга их технического состояния [6.4.] на
стадии возведения и эксплуатации для адекватной и систематической об¬
ратной связи, контролирующего поведение конструкций, обеспечивающего
долговечность объекта. Состав работы: установление фактических нагру¬
зок, воздействий и факторов, являющихся причинами возникновения де¬
фектов; определение напряженно-деформированного состояния системы;
обнаружение и слежение за ростом дефектов и их регистрация; расчет на
фактические нагрузки по этапам измерений и анализ соответствия ре¬
зультатов мониторинга расчетным данным; разработка критериев оценки
опасности обнаруженных дефектов и рекомендаций по эксплуатации со¬
оружения.
10.	Организация надлежащей эксплуатации сооружений: обеспечение
соответствия эксплуатационных сред, нагрузок и воздействий на строи¬
тельные конструкции величинам, принятым при проектировании или ого¬
воренным действующими нормами; проведение периодических осмотров;
своевременное выявление, оценка и устранение неисправностей строитель¬
ных конструкций. Натурные наблюдения необходимы для оценки надеж¬
ности и степени долговечности конструкций и установления срока их
службы с учетом отказов, факторов физического, морального и социально¬
го старения, огнестойкости, применения средств антикоррозионной защиты
и биостойкости и др.
11.	В составе проектной документации должен быть предусмотрен спе¬
циальный раздел с регламентом по эксплуатации сооружения, который
должен включать: перечень элементов и узлов конструкций, требующих
обязательных осмотров; методы и частоту требуемых натурных осмотров и
инспекционных сообщений; перечень требуемого технического оснащения
и оборудования; перечень должностных обязанностей персонала эксплуа¬
тирующей организации и их ответственности. Эти требования должны
обеспечивать безаварийную эксплуатацию строительных конструкций в
соответствии с условиями, предусмотренными в проекте или в нормах на
проектирование.
12.	Необходимо учитывать предупреждающие факторы (отклонения от
проекта в процессе монтажа и строительства). Если эти отклонения превы¬
шают расчетные величины, необходимо остановить работу и оценить ос¬
новные предпосылки компьютерного анализа. Нельзя продолжать работу
без понимания причин чрезмерных отклонений и решения проблемы.
13.	Разработка нормативов по срокам и стоимости проектирования, из¬
готовления и возведения технически сложных объектов. Уникальные со¬
оружения имеют повышенный уровень ответственности. В этой связи воз¬
никают дополнительные требования к номенклатуре и объемам изысканий
и проектных работ, изготовлению и монтажу конструкций, правилам их
330

приемки и эксплуатации. Это требует достаточного времени и объемов фи¬
нансирования (существенно превышающих эти параметры для традицион¬
ных объектов) для обеспечения их качества, безопасности, эксплуатацион¬
ной надежности и долговечности. Следует обобщить и проанализировать
имеющийся опыт, в том числе зарубежный.
Как показывает анализ аварий строительных конструкций, зданий и со¬
оружений, нарушение одного или нескольких из перечисленных условий
приводит к снижению надежности системы, а зачастую к ее разрушению
(отказу).
Анализ аварий конструкций, зданий и сооружений позволяет устано¬
вить основные причины аварий. Это недостатки проектных решений, де¬
фекты и низкое качество строительно-монтажных работ, отступление от
проектов при возведении сооружений и их элементов, нарушение правил
монтажа и условий обеспечения жесткости и устойчивости конструкций
при проектировании и в процессе их возведения, применение материалов и
конструкций недостаточной прочности, замена материалов конструкций
или их частей без санкции проектных организаций, перегрузка несущих
конструкций в процессе эксплуатации.
Изучение причин аварий позволяет лучше понять закономерности в ра¬
боте конструкций, зданий и сооружений, привлечь внимание ученых, про¬
ектировщиков и строителей к недостаткам проектных решений, устранение
которых должно предупредить аварии и тем самым обеспечить надежность
сооружений.
§ 8.4. Основные требования к проведению расследований
аварийных ситуаций
После аварии должно обязательно проводиться расследование, цель ко¬
торого — определение причины или причин отказа, их обобщение и ана¬
лиз, учитывающие характер и частоту повторений, с разработкой предло¬
жений и принятием мер по предупреждению аналогичных аварийных си¬
туаций в будущем. Это необходимо не только с юридической точки
зрения, но и для извлечения уроков, которые позволили бы избежать по¬
вторения ошибок. Само расследование должно включать разностороннее
исследование фактических причин аварии и их доказательств, подготовку
заключения.
Исследование причин аварийной ситуации требует привлечения квали¬
фицированных экспертов, имеющих необходимое образование, практиче¬
ский опыт работы по предмету исследования, обладающих общепризнан¬
ным авторитетом в решении рассматриваемых технических вопросов. Каж¬
дый специалист при подготовке выводов ограничивается областью своей
части экспертизы; обосновывает заключение расчетами, установленными
прецедентами, ссылками на техническую литературу или общепринятую
практику; использует только факты или подтвержденные сведения; рас¬
сматривает все вероятные сценарии отказа; анализирует результаты при
331

различных ситуациях; гарантирует, что его теоретические и эксперимен¬
тальные исследования соответствуют стандартным процедурам и могут
быть повторены.
Эксперт должен обладать моральными качествами: справедливостью,
правдивостью, объективностью. Он обязан избегать участия в конфликте
интересов, быть сосредоточенным на фактах, а не на установлении вины
ответственных исполнителей. Эксперт должен быть способным отслежи¬
вать неочевидные факторы и находить первопричину отказа; думать не¬
шаблонно, помня, что большинство аварий уникально, несмотря на то, что
они могут казаться похожими на известные случаи, понимать, что он также
может быть неправ в некоторой части своих предположений; быть готовым
учитывать новые факты и доказательства и исключать свои первоначаль¬
ные аргументы или гипотезы, не считаясь со своим престижем.
Для подготовки заключения по причинам аварии создается комиссия,
возглавляемая ответственным должностным лицом. Исследование должно
начаться сразу же после аварийной ситуации. Чем более серьезна авария,
тем большее количество времени и усилий потребуется на исследование ее
причин. При немедленном опросе можно получить более точные сведения
о случившемся, со временем свидетели могут забыть детали происшедше¬
го. Если причины не выявлены и не исключены, то существует вероятность
повторения подобного несчастного случая. Чем ранее комиссия может вы¬
явить причины, тем скорее можно будет предотвратить повторение анало¬
гичной аварийной ситуации.
Сбор информации из разнообразных источников помогает избежать
потери важных данных. Анализ должен включать сведения из всех дос¬
тупных документов, сообщений, отчетов, фотографий и видео, чертежей,
зарисовок, схем или описаний, зафиксировавших положение конструкций
здания/сооружения до срочной разборки в целях спасения пострадавших,
материальных подтверждений происшедшего, свидетельских показаний
(заявления очевидцев должны быть тщательно оценены по непротиворечи¬
вости, доверию, факты обязаны отделяться от мнений и догадок и т. д.).
Акт технической комиссии должен включать: подробное описание ава¬
рии с указанием характера и объема (площади) обрушившихся или повреж¬
денных конструкций; последовательности и последствий обрушения и т. п.,
характеризующих в целом масштаб аварии, дату и время аварии; состояние
сооружения перед аварией. Дается характеристика обстоятельств, при ко¬
торых произошла авария:
-	климатические условия (температура воздуха, сила ветра, величина сне¬
гового покрова и т. п.);
-	фактические нагрузки и воздействия на конструкции в стадии эксплуа¬
тации, в том числе не предусмотренные проектом;
-	работы, производившиеся при эксплуатации здания/сооружения и вбли¬
зи него непосредственно перед аварией (в том числе взрывы, забивка
свай, рыхление грунта, подвеска грузов к существующим конструкциям
и т. п.);
332

-	зафиксированные признаки предаварийного состояния сооружения и
принятые меры по предупреждению аварии, другие обстоятельства, ко¬
торые могли способствовать началу или развитию аварии и т. п.
В акте приводятся:
-	основные технические характеристики здания/сооружения, его размеры,
примененные несущие и ограждающие конструкции;
-краткое изложение объяснений очевидцев аварии, материалы опроса
свидетелей аварии и т. п.;
-	оценка качества проектных решений, выполненных строительно¬
монтажных работ, примененных строительных конструкций, изделий и
материалов;
-	оценка отступлений от проекта и нарушения требований СНиП, ГОСТ,
правил по технической эксплуатации зданий и сооружений, подъемно¬
транспортного оборудования; соблюдение требований по ведению ис¬
полнительной документации и т. п.;
-	оценка результатов испытаний материалов, конструкций, дополнитель¬
ных инженерно-геологических исследований, проверочных расчетов и
другие материалы;
-	оценка дополнительных исследований, назначенных комиссией;
-	оценка деятельности работников технического и авторского надзора и
организаций, осуществляющих контроль качества строительно¬
монтажных работ и примененных конструкций, изделий и материалов
(по результатам расследования причин аварии).
В заключении технической комиссии указываются:
-	установленные причины, приведшие к аварии сооружения (недостаточ¬
ная прочность, жесткость или устойчивость конструкций; перегрузка в
результате неправильного учета действующих нагрузок; изменение рас¬
четной схемы конструкций; ослабление сечений элементов конструк¬
ций, узлов, сварных швов; подвеска к конструкциям дополнительного
оборудования; отсутствие защиты конструкций, работающих в агрес¬
сивной среде; неравномерная осадка фундаментов и т. д.);
-какие нарушения проекта или требований нормативных документов
привели к аварии (ошибки в проекте, отступление от рабочих черте¬
жей или проекта производства работ, несоблюдение строительных
норм и правил при проектировании и производстве работ, а также тех¬
нических условий и государственных стандартов при изготовлении
конструкций, нарушение правил технической эксплуатации сооруже¬
ния, технологического, подъемно-транспортного оборудования и т. д.).
Указываются должностные лица, причастные к непосредственной при¬
чине аварии;
-рекомендации по ликвидации последствий аварии, необходимые меры
по усилению конструкций сохранившейся части и мероприятия по вос¬
становлению обрушившейся части сооружения и т. п., а также по пре¬
дотвращению аварий по аналогичным причинам.
333

При авариях на эксплуатируемом здании/сооружении дается заключе¬
ние о его состоянии перед аварией и выполнении правил технической экс¬
плуатации, указывается дата последнего планово-предупредительного ре¬
монта (плановая и фактическая).
Обычная техника расследования — это обратный анализ с сопоставле¬
нием более ранних вычислений, испытаний и т. д. с данными, полученны¬
ми позднее. Они не должны использоваться для оправдания более ранних
заключений, особенно если предположения запутанные, каждый процесс
должен быть исследован вновь. Выполняется компьютерное моделирова¬
ние. При этом необходимо учитывать фактические условия во время и мес¬
те отказа, результаты всех исследований и сообщений, в том числе проти¬
востоящих друг другу. Рассматриваются ситуации и события, приведшие к
несчастному случаю, вероятные сценарии аварии, заключения, рекоменда¬
ции для предотвращения подобных несчастных случаев.
Литература к главе 8
8.1.	«О порядке расследования причин аварий зданий и сооружений на территории
Российской Федерации». Приказ Министерства строительства РФ от 06.12.94
№ 17-48.
8.2.	Allen, D.E. «Limit state design - A probabilistic study», Canadian Journal Civ. Eng.
1975.
8.3.	Krishnamurthy N. Forensic Engineering in Structural Design and Construction,/
Proseeding of the Third International Congress (SEWC 2007). India. Bangalore,
2007.
8.4.	Matousek M., Schneider J. «Untersuchungen Zur Struktur des Zicherheitproblems
bei Bauwerken», Institut fur Baustatik und Konstruktion der ETH Zurich, Bericht
No. 59, ETH, Zurich, 1976.

Монография
Павел Георгиевич Еремеев
СОВРЕМЕННЫЕ СТАЛЬНЫЕ
КОНСТРУКЦИИ БОЛЬШЕПРОЛЕТНЫХ
ПОКРЫТИЙ УНИКАЛЬНЫХ ЗДАНИЙ
И СООРУЖЕНИЙ
Редактор:
Компьютерная верстка:
Компьют. дизайн обложки:
В. Ш. Мерзлякова
В. Ю. Алексеев
Н. С. Романова
Диапозитивы предоставлены издательством
Подписано в печать 18.05.2009. Формат 60x90 Vi6.
Бум. офсетная. Гарнитура «Таймс». Печать офсетная.
Уел. 21 печ. л. Тираж 500 Заказ № 1067.
Лицензия ЛР №0716188 от 01.04.98.
Издательство Ассоциации строительных вузов (АСВ)
129337, Москва, Ярославское шоссе, 26, отдел реализации: оф. 348 (КМК)
тел., факс: (495) 183-56-83
http://www.iasv.ru, e-mail: iasv@mgsu.ru
Отпечатано в ООО ПК «Зауралье» с готового оригинал-макета
640022, г. Курган, ул. К. Маркса, 106. E-mail:zpress@zaural.ru