СМИС Эксперт » Новости компании » Реализация интегрального мониторинга на объекте «Большая спортивная арена «Лужники»

УДК 624.074: 53.082.12:53.082.13

Реализация интегрального мониторинга на объекте «Большая спортивная арена «Лужники»

А.Н. Плотников, С.А. Левин *, А.Г. Николаева, В.А. Иванов, Н.В. Иванова, Б.В. Михайлов, Н.Н. Аринина, О.С. Яковлева

ФГБОУ ВО «Чувашский государственный университет имени И.Н. Ульянова»,г. Чебоксары, Россия

* ООО «СМИС-Эксперт», г. Москва, Россия

Аннотация

В статье рассматривается вопрос организации мониторинга БСА «Лужники». На объекте реализован автоматический сбор информации с датчиков. Представлены данные на период отладки системы мониторинга по инклинометрам, акселерометрам, тензометрам, призмам для тахеометра, метеостанции.

REALIZATION OF INTEGRATED MONITORING AT THE OBJECT "A GREAT SPORTS ARENA"LUZHNIKI"

Abstract

The article discusses the organization of monitoring the BSA "Luzhniki". The facility implemented automatic collection of information from sensors. The data for the period of debugging of the monitoring system by inclinometers, accelerometers, strain gauges, prisms for the total station, meteorological station are presented.

Особенностями объекта являются его размеры – стадион рассчитан на 81 тыс. зрителей и эксплуатация после реконструкции, в результате которой были сохранены наружные кирпичные стены 1950-х гг. и металлическое покрытие над трибунами 1990-х гг. К Чемпионату Мира по футболу 2018 г. Были заменены конструкции железобетонных трибун, решены их связь с существующими стенами, удлинено металлическое покрытие.

Конструктивная схема трибун представляет собой рамно-связевой железобетонный каркас. Сетка колонн каркаса в основном нерегулярная. Шаг колонн изменяется от 8,5 м до 13 м. В плане сооружение имеет форму овала с максимальными размерами 247 х 308 м, высотой 57 м. В плане стальная оболочка имеет форму овального кольца, накрывающего трибунное пространство.

Общий вид и разрез здания БСА «Лужники»

Рисунок 1. Общий вид и разрез здания БСА «Лужники»

Геотехническая особенность по данным [1], [3] реконструкции объекта являлись: залегание в основании переуплотненных юрских глинистых отложений, характеризуемых высоким давлением исторического уплотнения, им свойственна очень низкая фильтрация и ползучесть, а значит, деформации в них могут быть растянуты во времени на весь срок эксплуатации объекта; новые трибуны стадиона возводятся на месте старых, на отдельных участках (в зоне подошвы фундаментов старых трибун) грунты находятся в уплотненном состоянии (техногенное уплотнение); использование техногенные (насыпных) грунтов.

Покрытие представляет собой пространственную систему из стальной стержневой конструкции. Оно состоит из внутреннего и наружного контуров и системы радиально-кольцевых ребер. Наружный опорный контур по периметру опирается на колонны. Основный шаг колонн составляет 12,5 м, кроме одной зоны, где он достигает величины 18,6 м. Колонны – из стального профиля, сварные, коробчатого сечения. В радиальном направлении они запроектированы в виде качающихся стоек. Для этого их соединения с фундаментом и с наружным контуром покрытия выполнены в виде цилиндрических шарниров. Это позволило избежать появления изгибающих моментов от температурных воздействий в радиальном направлении плана покрытия.

Общий вид конструкции покрытия

Рисунок 2. Общий вид конструкции покрытия

Сложное в конструктивном отношении и значительное по объему сооружение контролируется интегральным методом, заключающемся в сопоставительном анализе: угловых деформаций, перемещений в пространстве, поверхностных деформаций, собственной частоты колебаний конструкции с учетом климатических воздействий.

Имея опыт мониторинга уникальных сооружений, авторы статьи [6,7] разработали паспорт мониторинга для автоматизированной станции на основе трех математических моделей, созданных ООО «Метрополис» в 2014 г., АО «НИЦ «Строительство» (ЦНИИСК им. В.А. Кучеренко), ФГБОУ ВО «ЧГУ им. И.Н. Ульянова». Теме разработки адекватных конечно-элементных моделей посвящена, в частности, работа [5].

Датчики были установлены распределено по всей площади сооружения и позволяли регистрировать отклонения наружных колонн – опор для покрытия, пространственного каркаса трибун от вертикали, собственную частоту колебаний конструкций стального покрытия, нарушение геометрии внутреннего опорного кольца покрытия, потерю устойчивости элементов решетки опорного кольца, неравномерные осадки конструкций трибун. Принцип равномерной установки датчиков описывается, в частности, в [4,8].

Инклинометры установлены на колонны железобетонных конструкций трибун в зоне отметки 0.000 для предотвращения их крена. Предельные значения кренов установлены расчетами по не наступлению предельных состояний. На данной отметке инклинометры расположены группами в пределах трибун. Для применения на объекте применены инклинометры марки «MEMS Tiltmeter 57803199» двухкоординатные.

Инклинометры были установлены также на существующие колонны, предназначенные для опирания покрытия. Они устанавливались через одну колонну на двух отметках +9.150 и +21.000. На двух отметках одной колонны кроме отклонения от вертикали контролируется потеря устойчивости как для гибкого элемента.

Инклинометры были установлены по периметру внутреннего опорного кольца покрытия на нижнем поясе с шагом через 3 – 4 полуарки. Они предназначены для контроля выхода кольца из плоскости.

Для размещения измерителей частоты элементов конструкций (акселерометров) с учетом затухания волны приняты следующие зоны: равномерно по площади покрытия, по длине четырех полуарок, расположенных по главным ортогональным и диагональным осям сооружения - по концам и в середине пролетов. Принят трехкомпонентный акселерометр SDA-1 с полосой частот 0,1 - 120 Гц. Рабочий диапазон частот: 0,2 – 1 Гц. Оперативный контроль состояния производится по собственной частоте колебаний и ускорению от фоновых воздействий, определенных при нормальной эксплуатации объекта во всем контролируемом частотном диапазоне, включая более высокие частоты.

Тензометры приняты марки GeokonInc. Model 4000 струнного типа и были установлены на смежные раскосы внутреннего опорного кольца через 3 – 4 шага полуарок покрытия. Они предназначены для измерения поверхностных деформаций раскосов, выполненных из двутавров. В раскосах кольца возможно развитие усилий до 3351 кН с эксцентриситетом до 0,1 м. Значения предельных напряжений установлены по расчетному сопротивлению 370 МПа. Предельные относительные деформации при этом не должны превышать 0,0018. На базе 150 мм это 0,278 м.

Измерение деформаций внутреннего опорного кольца и конструкций трибун в пространстве производится автоматизированными тахеометрами LeicaGeosystems AG TM 50 (0.5”) с системой отражателей (призм), расположенными по периметру внутреннего опорного кольца равномерно в верхних точках по новой консоли (отм. +57.395) и по нижнему поясу опорного кольца (отм. +43.000). Принцип геотехнического мониторинга широко распространён, автоматизированный применяется, в основном, на транспорте [9,10,11].

Для сопоставления показаний датчиков по деформациям (линейным и угловым), частотам и ускорениям колебаний с внешними климатическими воздействиями (температурой, скоростью ветра) на кровле установлена компактная метеостанция GillInstrumentsLimited: MetPak RG/WindMasterPro.

Конструкции трибун отделены друг от друга деформационными швами, они делятся на отсеки. Инклинометры показывают крен в области фундаментных плит, отдельно по отсекам. Ширина осадочных швов 50 мм. Крен устанавливается по временной нагрузке. Постоянная нагрузка принята как действующая до установки инклинометров.

На рис. 3 показана схема установки инклинометров в зоне фундаментной плиты одного отсека и линии прогибов в ее сечениях от временной нагрузки. По касательным к этим линиям определены углы поворота точек для задания диапазона работы инклинометров. Всего трибуны разделены на 12 отсеков.

Изополя и линии деформаций блока фундаментной плиты

Рисунок. 3. Изополя и линии деформаций блока фундаментной плиты

По данным записи показаний инклинометров в период с 01.01.2018. по 01.06.2018. крены фундаментных плит находятся в пределах, установленных расчетом, не превышают значения «желтых» линий (по нормативной нагрузке). Поворот отдельных участков плит происходил во время загрузки трибун, но упругие свойства грунта сохраняются, угол наклона в течение нескольких месяцев приходит к первоначальным значениям. Часть разверток данных по главным осям здания представлена на рис. 4.

В целом эти данные подтверждают значения расчетной модели, трактующей фундамент как гибкую плиту с неравномерной по площади нагрузкой.

Одной из особенностей объекта является установка покрытия на внешние качающиеся опоры – металлические стойки с шарнирным опиранием на фундаменты. Инклинометры установлены на верхней отметке + 21.000 и на промежуточной + 9.150. Данные кренов стоек по главным осям здания приведены на рис. 5.

Диаграммы углов поворота фундаментов по крайним точкам главных осей

Рисунок 4. Диаграммы углов поворота фундаментов по крайним точкам главных осей

Анализ разверток деформаций во времени свидетельствует о крене, не выходящем за расчетный по верхним отметкам стоек и о сохранении упругой работы материала по промежуточной отметке + 9.150. В то же время отмечается практически синхронное движение точек стоек на отметках +21.000 и +9.150 по сезонам года. В зимний период времени по инклинометрам зафиксирован поворот положительный, в летний - отрицательный, что в целом свидетельствует, по предварительным выводам, о повороте точек в плане здания зимой по часовой стрелке, летом – против.

На рис. 6 представлены результаты углов поворота точек внутреннего опорного кольца (эллипса), лежащих на главных ортогональных осях здания. Значения не выходят за пределы, установленные расчетной моделью по нормативным и расчетным нагрузкам. Отмечается сезонный поворот точек в пространстве, вызванный малым радиусом кривизны опорного кольца по большой оси эллипса.

При разработке проекта мониторинга особое внимание уделялось состоянию внутреннего опорного кольца, образующего большой разрыв оболочки положительной кривизны. Конструкция кольца представляет собой пространственную замкнутую металлическую ферму с перекрёстными раскосами в два ряда. Для контроля его положения был организован геодезический мониторинг двумя автоматическими тахеометрами, установленными напротив друг друга.

Сканирование координат ведется по закрепленным на верхней и нижней кромках ферм призмам (рис. 7).

Диаграммы углов поворота стоек на отметках 9.150. и 21.000 по главным осям здания

Рисунок 5. Диаграммы углов поворота стоек на отметках 9.150. и 21.000 по главным осям здания

Диаграммы углов поворота узлов внутреннего кольца по главным осям

Рисунок 6. Диаграммы углов поворота узлов внутреннего кольца по главным осям

 Диаграммы деформаций внутреннего кольца в пространстве по главным осям

Рисунок 7. Диаграммы деформаций внутреннего кольца в пространстве по главным осям

Напряженное состояние пространственной фермы контролируется тензометрами, установленными на большие раскосы, представляющие собой двутавры (рис. 8). Тензометры установлены на восходящий и нисходящий раскосы с двух сторон стенок двутавров для исключения влияния случайных эксцентриситетов.

В основном, тензометры работают синхронно, значения деформаций близки нулевым (рис. 9). Увеличение деформаций, а, следовательно, усилий отмечается в период марта - апреля 2018 г. В связи с увеличением снеговой нагрузки и температурных воздействий (в меньшей степени). При этом усилия не превышают допустимых при нормативных и расчетных нагрузках.

Размещение тензометров на раскосах внутреннего кольца

Рисунок 8. Размещение тензометров на раскосах внутреннего кольца

Диаграммы деформаций раскосов по главным осям здания

Рисунок 9. Диаграммы деформаций раскосов по главным осям здания

Акселерометры, установленные на металлических конструкциях покрытия, по стабильной частоте колебаний, в период отсутствия явных динамических нагрузок, показали значение 1,3 Гц, не более 5 Гц по первой форме колебаний в зоне внешнего опорного кольца. По внутреннему кольцу значения частот уменьшаются, происходит демпфирование, следовательно, можно отметить, что жесткость внутреннего кольца больше, чем внешнего (рис. 10). При известной массе этого кольца, при условии, что она не будет увеличиваться, низкие частоты, близкие нулю будут свидетельствовать о исправности несущей конструкции.

Акселерограммы на краю внутреннего кольца

Рисунок 10. Акселерограммы на краю внутреннего кольца

На объекте с помощью метеостанции записывались: скорость ветра, его направление, температура воздуха (рис. 11). Средняя скорость ветра за описываемы период составила 4 м/с, при редких пиковых значениях январе и апреле 11 м/с, в начале февраля 20 м/с. Средняя температура в зимний период наблюдений составила -50С, минимальная -180С, в весенний период средняя +120С, максимальная +250С.Влияние температуры на несущие металлические конструкции покрытия имеется в части поворота стоек по контуру здания в пределах 50% от допустимого по расчетной модели, внутреннего опорного кольца в пределах 20 %, по тензометрам отклонение от близких нулевым значениям зафиксировано только при самых минимальных температурах.

При минимальных температурах по климату возможно приближение деформаций и усилий к максимальным (желтым), определенным по нормативной временной нагрузке.

Данные метеостанции. Скорость ветра. Температура.

Рисунок 11. Данные метеостанции. Скорость ветра. Температура.

В целом интегральный мониторинг, реализованный на объекте, позволяет контролировать напряженно-деформированное состояние несущих конструкций. На объекте установлены границы контроля для датчиков по параметрам расчетной модели, которые за наблюдаемый период не были превышены. На объекте отмечается эффект больших систем в связи с установкой значительного количества датчиков. Анализ результатов позволяет сделать вывод о возможности контроля объекта по меньшему количеству датчиков. Положительным фактором большой системы является дублирование датчиков по рядом расположенным зонам, что позволяет минимизировать ложные сигналы об аварийной ситуации. Для отработки этой схемы необходима разработка алгоритма анализа данных именно как для интегральной системы, заключающаяся в сравнении всех параметров по выделенным зонам.

Литература

  1. Шулятьев О. А., Исаев О. Н., Шарафутдинов Р. Ф., Наятов Д. В. НИИОСП им. Н. М. Герсеванова – АО «НИЦ "Строительство"» Геотехнические аспекты реконструкции «Большой спортивной арены «Лужники» / http://sportengineering.ru/ рубрика «Наука». 10.10.2016.
  2. ОАО "Стальконструкция-Фаст") / http://stk-fast.ru/master-klass/bsa-luzhniki-1997/.
  3. Фарфель М.И. Мониторинг покрытия большой спортивной арены Олимпийского стадиона «Лужники» InternationalJournalforComputationalCivilandStructuralEngineering, 6(1&2) 219-220 (2010).
  4. Гурьев, В.В. Мониторинг технического состояния зданий и сооружений Электронный ресурс. / В.В. Гурьев, В.М. Дорофеев // Стройпрофиль — М., 2005. — № 4. Режимдоступа: http://www.stroinauka.ru/ /detailview
  5. BelostotskyA.M., AkimovP.A., NegrozovO.A., PetryashevN.O., PetryashevS.O., SherbinaS.V., KalichavaD.K., Adaptivefinite-elementmodelsinstructuralhealthmonitoringsystems.
    MagazineofCivilEngineering. 2018. No. 2. Pp. 169–178. doi: 10.18720/MCE.78.14.
  6. ПлотниковА.Н., ЕжовА.В., СабановА.И. Опыт мониторинга бескаркасных зданий при застройке территории / Архитектура. Строительство. Образование. Материалы региональной конференции. Чебоксары: Изд-во Чуваш. ун-та. 2012. – С. 82 – 87.
  7. Плотников А.Н. Определение взаимовлияния деформаций изгиба и кручения железобетонного перекрестно-ребристого перекрытия при мониторинге его возведения/ А.Н. Плотников //Вестник МГСУ. № 7. 2012. С. 82 - 89.
  8. Снежков, Д.Ю. Мониторинг возводимых и эксплуатируемых железобетонных конструкций неразрушающими методами / Д.Ю. Снежков, С.Н. Леонович. – Минск: БНТУ, 2016. – 331 с.
  9. Грибанов Я.И., Быков А.А., Калугин А.В. Оценка напряженно- деформированного состояния металлоконструкций покрытия спорткомплекса при запроектных нагрузках / Наука и безопасность. № 5.2012. – с. 28 – 40.
  10. Hyo Seon Park, Yunah Shin, Se Woon Choi, Yousok Kim. An Integrative Structural Health Monitoring System for the Local/Global Responses of a Large-Scale Irregular Building under Construction / Sensors 2013, 13. www.mdpi.com/journal/sensors
  11. Xiaolin Meng, Dinh Tung Nguyen, Yilin Xie, John S. Owen , Panagiotis Psimoulis , Sean Ince , Qusen Chen, Jun Ye , Paul Bhatia. Design and Implementation of a New System for Large Bridge Monitoring—GeoSHM / Sensors 2018, 18, 775 www.mdpi.com/journal/sensors

Ключевые слова: мониторинг, датчики, деформации, частота, большепролетные здания

Keywords: monitoring, sensors, deformations, frequency, long-span buildings

Плотников Алексей Николаевич, декан строительного факультета ФГБОУ ВО «Чувашскийгосударственный университет имени И.Н. Ульянова», г.Чебоксары,428015, г. Чебоксары, Московский пр., 15; plotnikovAN2010@yandex.ru; +7(8352)62-45-96.

Левин Сергей Андреевич, директор ООО «СМИС-Эксперт», 115230, г. Москва, Каширское шоссе, 12; smisexpert@bk.ru.

ФГБОУ ВО «ЧГУ им. И.Н. Ульянова»:

Николаева Анастасия Георгиевна, старший преподаватель кафедры строительных конструкций;

Иванов Виктор Анатольевич, старший преподаватель кафедры строительных конструкций;

Иванова Наталия Васильевна, доцент кафедры строительных конструкций;

Михайлов Борис Васильевич, доцент кафедры строительных конструкций;

Аринина Надежда Николаевна, старший преподаватель кафедры строительных конструкций;

Яковлева Ольга Станиславовна, старший преподаватель кафедры строительных конструкций.

Plotnikov Alexey Nikolaevich, Dean of the Faculty of Civil Engineering, Chuvash State University named after I.N. Ulyanov (ChuvSU), 15 MoskovskiyProspekt, Cheboksary, 428015, RussianFederation; plotnikovAN2010@yandex.ru; +7(8352)62-45-96.

Levin Sergey Andreevich, Director of “SMIS-Expert” LLC, 12, Kashirskoye, Moscow, 115230, RussianFederation; smisexpert@bk.ru

Chuvash State University named after I.N. Ulyanov (ChuvSU):

Nikolaeva Anastasia Georgievna, Senior Lecturer, Department of Building Structures;

IvanovViktor Anatolievich, Senior Lecturer, Department of Building Constructions;

Ivanova NataliaVasilievna, Associate Professor ofthe Department of Building Structures;

Michailov Boris Vasilyevich, Associate Professor ofthe Department of Building Structures;

ArininaNadezhda Nikolaevna, Senior Lecturer, Department of Building Constructions;

Yakovleva Olga Stanislavovna, Senior Lecturer, Department of Building Structures.

Для цитирования:

Плотников А.Н. Реализация интегрального мониторинга на объекте «Большая Спортивная Арена «Лужники»/ А.Н. Плотников, С.А. Левин, А.Г. А.Г. Николаева, В.А. Иванов, Н.В. Иванова, Б.В. Михайлов, Н.Н. Аринина, О.С. Яковлева // Новое в архитектуре, проектировании строительных конструкций и реконструкции: материалы IV Международной (X Всероссийской) конференции НАСКР-2018. Изд-воЧуваш. ун-та, г. Чебоксары. 2018. – С. 295 - 307.

Citation:

Plotnikov A.N. Realization of integrated monitoring at the object "A great sports arena "Luzhniki "/ A.N. Plotnikov, S.A. Levin, A.G. Nikolaeva, V.A. Ivanov, N.V. Ivanova, B.V. Michailov, N.N. Arinina, O.S. Yakovleva // New in architecture, design construction and renovation: Proceedings of the IV International (X All-Russia) Conference (NADCR-2018). The Chuvash State University, Cheboksary, 2018. – P. 295 - 307.

Входит в Сборник НАСКР -2018

Сборник НАСКР-2018.pdf