Наиболее ответственными элементами вантового покрытия являются несущие и стабилизирующие ванты, а также центральные металлические кольца, за которыми необходимо системное инструментальное наблюдение. От усилий в несущих вантах зависит прочность всего вантового покрытия, в стабилизирующих вантах – устойчивость системы и состояние кровли.
Повышенные требования к надежности большепролетного сооружения определяют необходимость контроля технического состояния как на стадии строительства объекта, так и в процессе его эксплуатации с использованием современных методов и средств неразрушающего контроля.
Технический мониторинг состояния конструкций вантового покрытия включает:
- методы неразрушающего контроля для получения надежной и достоверной информации об объекте;
- расчет вантового покрытия на фактические нагрузки по этапам их создания в процессе строительства и при эксплуатации сооружения, анализ соответствия результатов мониторинга расчетным данным;
- определение нагрузок и воздействий, являющихся причинами возникновения и развития дефектов или повреждений в элементах конструкции;
- оценку видов дефектов, их расположения и характера развития;
- различные способы решения задач по обнаружению и слежению за ростом дефектов и их регистрации;
- разработку критериев оценки технического состояния вантового покрытия и рекомендаций по безопасной эксплуатации сооружения.
Для осуществления технического мониторинга используются следующие методы:
1. Инструментальный геодезический контроль перемещений центральных металлических колец для получения интегральной характеристики работы вантового покрытия. Для этого установлены марки на нижнем металлическом кольце и неподвижные реперы на железобетонных опорах.
2. Инструментальный контроль усилий в несущих и стабилизирующих вантах с использованием датчиков усилий, разработанных французской фирмой “Адвитам”. Датчики устанавливались в процессе монтажа вантовых ферм на одной из прядей как на несущих, так и на стабилизирующих вантах, внутри регулируемых анкеров на центральных металлических кольцах. Каждый из датчиков имеет сертификат калибровки. В герметических корпусах размещены преобразователи питания датчиков и модули-преобразователи сигналов, которые обеспечивают надежную передачу числовой информации при большой удаленности от компьютера. Вблизи датчиков усилий расположен щит электропитания напряжением 220 вольт и частотой 50 герц с батареей резервного питания. В случае отключения питания сети на контролирующий компьютер будет передаваться предупреждающий сигнал.
3. Инструментальный контроль деформаций и напряжений в элементах центрального нижнего металлического кольца с использованием струнных датчиков СДД, разработанных лабораторией вычислительной диагностики Института прикладной физики НАН Беларуси. Струнные преобразователи и контроллеры для датчиков изготовлены ООО “НПФ Диагностика” (Минск).
Для автоматического инструментального мониторинга, необходимого для непрерывной оценки напряженно-деформированного состояния наиболее ответственных элементов вантового покрытия (несущих и стабилизирующих вант и центрального нижнего металлического кольца), разработаны измерительные схемы и программное обеспечение. Измерительные системы представляют собой комплекты элементов, осуществляющие дистанционное измерение при оптимальных условиях передачи данных. Аналого-цифровые модули преобразовывают исходящие от датчиков аналоговые сигналы в цифровые и передают на удаленный компьютер без искажений.
Кроме инструментального контроля во время эксплуатации здания необходимо периодически осматривать основные узлы и элементы вантового покрытия, как правило, два раза в год – весной и осенью, а также после стихийных бедствий (ураганных ветров, больших ливней или снегопадов). При этом устанавливается их физическое состояние, обнаруживаются дефекты или повреждения, появившиеся в результате ошибок при проектировании, нарушений при изготовлении конструкций, их транспортировании, хранении и монтаже, при эксплуатации сооружения. При проведении осмотров следует обращать внимание на состояние закладных деталей для крепления вантовых ферм в железобетонных перекрытиях, наличие или развитие трещин в бетоне в местах присоединения металлических проушин и на нижней поверхности верхнего железобетонного кольцевого перекрытия. Во время осмотра вантовых ферм необходимо выявлять разрушения узловых соединений (чугунных хомутов и болтов крепления металлических стоек), антикоррозионных покрытий металлических стоек и полиэтиленовых защитных чехлов прядей вант, а также смещений от проектного положения металлических плит покрытия. Визуальным осмотром центральных металлических колец должны устанавливаться дефекты или повреждения сварных швов (особенно горизонтальных монтажных, соединяющих изготовленные на заводе 4 отправочные марки в единое кольцо) и антикоррозионного покрытия. Следует также обращать внимание на состояние кольцевых связевых ферм, выявляя разрушения болтовых соединений, разрывы или погнутости стержневых элементов.
В случае обнаружения недопустимых дефектов или повреждений служба эксплуатации обязана информировать генерального проектировщика и привлечь специализированную организацию для определения причин их возникновения и разработки рекомендаций по усилению конструкций.
Для оценки и инженерного анализа состояния вантового покрытия выполнен расчет с учетом геометрической нелинейности и конструктивных особенностей на фактические нагрузки по этапам его создания и при эксплуатации сооружения (использованы современные программные комплексы “ЛИРА” и “ANSYS”).
В процессе строительства арены велось наблюдение за напряженно-деформированным состоянием вантового покрытия, выполнялась геодезическая съемка специалистами Полоцкого государственного университета. Перед началом монтажа вантовых ферм были установлены отметки центральных металлических колец, расположенных на временной опорной башне, и закладных деталейнерегулируемых анкеров в железобетонных кольцах. Измерения показали, что верхние закладные детали имеют отклонения по высоте до 10 мм, а нижние – до 8 мм. Проектные пролеты вантовых ферм, т.е. расстояния между центром отверстия проушины закладной детали в железобетонном кольце и упорной пластиной для регулируемого анкера в верхнем металлическом кольце, составляют 51 500 мм. Фактически измеренные пролеты находятся в пределах от 51 421 до 51 516 мм. В период монтажа вантового покрытия контролировались отметки в средней части ферм в месте крепления стойки Св-10.
При монтаже вантовые фермы деформировались под действием собственного веса по сравнению с исходным состоянием, за которое принималась геометрическая схема невесомой конструкции. Исходное состояние использовалось для определения начальных размеров при “заготовке” элементов вантовой фермы. После снятия кареток с канатной дороги пояса вантовых ферм, примыкающие к металлическим кольцам, переместились вниз, а пояса со стороны железобетонных колец – вверх. В вантовой ферме ФВ-1 контролируемая стойка Св-10 опустилась на 95 мм. Угол наклона крайних панелей поясов со стороны металлических колец увеличился на 2,2о, а со стороны железобетонных колец уменьшился на 1,2о.
Предварительное напряжение вантовой системы осуществлялось на площадке верхнего кольца центрального барабана в 3 этапа усилиями 14, 35 и 51 тс. Компьютерный анализ показал, что для обеспечения устойчивого положения центральных колец на монтажной башне необходимо на каждом этапе создавать предварительное натяжение одновременно двух диаметрально противоположных вантовых ферм, затем – ортогонально расположенных ферм и только после этого натягивать остальные фермы. Данная технология была реализована практически.
При формировании несущих и стабилизирующих вант на одну из прядей в каждую четвертую вантовую ферму устанавливались датчики французской фирмы “Адвитам” для измерения деформаций и определения усилий (рис. 1).
При натяжении стабилизирующих вант гидравлическими домкратами величина усилия определялась при помощи манометров на насосной станции. По окончании натяжения всех ферм дополнительный контроль за величиной усилий в вантах осуществлялся с использованием установленных датчиков. Измерения показали, что во всех контролируемых стабилизирующих вантах усилия предварительного натяжения составляли 51 тс.
При натяжении стабилизирующих вант произошло дальнейшее деформирование ферм (рис. 2).
На схеме пунктирной линией показано исходное состояние вантовой фермы, а сплошной линией – деформированное состояние. После предварительного напряжения кривизна стабилизирующей ванты уменьшилась, а несущей увеличилась. Верхние узлы стоек получили горизонтальные перемещения. Наиболее наклонилась стойка Св-16. Горизонтальное перемещение ее верхнего узла составило 141 мм, а угол наклона – 1,0о. После создания предварительного напряжения вантовой системы по стойкам Св-6,
Св-10 и Св-14 установлены кольцевые связевые фермы, предназначенные для обеспечения устойчивого положения вантовых ферм и перераспределения усилий при действии неравномерных нагрузок от снега и подвесного оборудования.
Временная опора, на которой были установлены центральные металлические кольца, демонтировалась с помощью 8 гидравлических домкратов путем последовательного опускания нижних телескопических участков стоек башни. При опускании временной монтажной башни центральные металлические кольца постепенно включались в работу и под действием нагрузки от их собственного веса и закрепленных на них элементов происходило перераспределение усилий между стабилизирующими и несущими вантами. Расчеты показали, что в стабилизирующих вантах усилия уменьшаются с 51 до 45 тс, а в несущих увеличиваются с 37 до 60 тс. При этом произошло существенное изменение геометрии вантового покрытия. Результаты расчета хорошо согласуются с фактически измеренными перемещениями. Наибольшие вертикальные перемещения отличаются на 3%. По результатам измеренных перемещений построена схема деформирования вантовой фермы ФВ-1 после опускания временной монтажной опоры под центральными металлическими кольцами (рис. 3).
При опускании монтажной башни узлы вантовых ферм получили не только значительные вертикальные, но и существенные горизонтальные (в верхнем и нижнем поясах) перемещения, в результате чего стойки наклонились в разные стороны. Наиболее значительно наклонилась стойка Св-4 в девиаторе в сторону железобетонных колец. Ее уклон составил 16о. Теоретические расчеты с использованием ПК “ANSYS” и “ЛИРА” показали: при дальнейшем нагружении вантового покрытия стойки выравниваются, что и было фактически подтверждено при проведении мониторинга в период строительства. Неравномерные нагрузки от подвесного оборудования и снега могут вызвать взаимное смещение стоек Св-3 и Св-5 в зоне верхнего пояса до 98 мм. Существенное деформирование вантовых ферм в зоне пересечения несущих и стабилизирующих вант потребовало изменить конструктивное решение плит покрытия в этом месте. Решено не опирать плиты на стойку Св-4 в девиаторе, а установить балки из гнутого швеллера сечением 200 х 160 х 6 с овальными отверстиями на стойки Св-3 и Св-5 на болтах, допускающих взаимное смещение до 100 мм. Для обеспечения водоотвода с покрытия балки имеют изогнутую форму.
Для контроля за изменением напряженного состояния центрального нижнего металлического кольца в период монтажа вантового покрытия были установлены 4 временных струнных датчика СДД до опускания монтажной башни (рис. 4).
Замеры деформаций по датчикам производились после опускания монтажной башни. Сравнение полученных экспериментальных данных с результатами расчета показало, что расхождение во внутреннем кольцевом элементе составляет до 12%, а во внешнем – до 18%. Для контроля за напряженным состоянием нижнего металлического кольца после монтажа вантового покрытия и осуществления мониторинга при действии неравномерных нагрузок в стадии эксплуатации размещены 32 датчика СДД на верхних и нижних плоскостях кольцевых пластин, а также на наиболее ответственных монтажных сварных швах.
Установленное на компьютере программное обеспечение дает возможность осуществлять непрерывный контроль за величиной усилий в несущих и стабилизирующих вантах и напряжений в наиболее нагруженном нижнем металлическом кольце, предупреждая об опасных и критических состояниях. Разработанная система мониторинга строительных конструкций внедряется в республике впервые. Она позволит обеспечить надежность и безопасность эксплуатации уникального здания арены.