ИССЛЕДОВАНИЕ НАПРЯЖЕННО-ДЕФОРМИРОВАННОГО СОСТОЯНИЯ КУПОЛЬНО-КОНИЧЕСКИХ КОНСТРУКЦИЙ КАЗАНСКОГО ГОСУДАРСТВЕННОГО ЦИРКА

Полный текст

Историко-архивные данные Пятьдесят лет тому назад (7 ноября 1967 г.) в Казани был возведен уникальный по архитектурной форме и конструктивным решениям объект - здание государственного цирка на 2000 мест в виде «летающей тарелки» (рис. 1). а б Рис. 1. Общий вид (а) и разрез (б) здания Казанского государственного цирка [Fig. 1. General view (a) and section (б) of the building of the Kazan state circus] Объемно-пространственная структура объекта была сформирована специалистами проектного института «Татаргражданпроект» (ныне ГУП «Татинвестгражданпроект») за счет сочленения двух пространственных тел вращения - усеченного конуса в нижней части и пологого сферического купола в верхней части здания, которые объединены между собой предварительно напряженным распорным кольцом диаметром 62 м. Идея строительства здания цирка в Казани возникла после того, как в 1961 г. сгорел старый цирк, возведенный из деревянных конструкций [1]. Место для размещения здания нового цирка выбрано в историческом центре города, в прибрежной зоне реки Казанки, имеющей особые инженерно-геологические и гидрогеологические условия [2]. Особенности сооружения и технологии возведения Проектирование купольно-конической конструктивной системы здания цирка в семидесятых годах XX века для отечественных инженеров было непростой задачей. Здание возведено на насыпных грунтах, подстилаемых водонасыщенными песками, с расчетным сопротивлением R = 250 кПа. Уровень подземных вод колеблется в диапазоне WL = 3,50-4,20 м (50,64-50,98 м БС). В связи с этим был предусмотрен комплекс инженерных мероприятий для подземной части здания, включая: кольцевой свайный фундамент из свай Су-8-300 и Су-10-300, забитых с шагом l = 3d м (d - диаметр свай) с отметки дна котлована (52,0 м БС); систему горизонтального самотечного дренажа; оклеечную вертикальную и горизонтальную гидроизоляцию конструкций подвальных помещений. Достоверность выполненных при строительстве конструктивных, гидроизоляционных и водопонизительных работ, а также их техническое состояние, были установлены при проведении авторами комплексного инженерного обследования. Главными несущими элементами надземной части цирка являются: снизу - чаша амфитеатра с местами для зрителей, выполненная в форме усеченного конуса с меньшим основанием, обращенным вниз; сверху - пологий сферический купол, имеющий верхнее и нижнее опорные кольца. Нижняя, коническая часть здания, воспринимает постоянную и временную нагрузку, передавая ее через пилоны на плиту кольцевого ленточного ростверка и отдельно стоящие ростверки свайного фундамента. Верхняя часть цирка решена в виде тонкостенного купола из монолитного железобетона, который опирается на решетчатую конструкцию с регулярным расположением радиальных и кольцевых элементов из прокатных профилей. Радиально-кольцевое армирование железобетонного купола и лепестки-ребра из стальных спаренных швеллеров № 27, № 20 и двутавров № 20 объединены в единую пространственную решетчатую конструкцию (рис. 2, а). Жесткость конструкции каждого лепестка-ребра обеспечена за счет крестовых связей из стальных прокатных двутавров № 20, связующим центральным элементом из спаренных швеллеров № 20 замкнутого поперечного сечения и обрешетки. а б в Рис. 2. Возведение купольно-конических конструкций здания Казанского цирка (июнь 1966 г.): а - конструкция опорного лепестка-ребра, изготовленного из стальных прокатных профилей; б - монтаж лепестков-ребер с центральной опорой и опорными кольцами; в - монтаж оснастки для железобетонного купола [Fig. 2. Erection of dome-conical structures of the building of the Kazan Circus (June 1966): a - the construction of a supporting lobe-rib made of steel rolling profiles; б - assembly of petal-ribs with central support and support rings; в - installation of equipment for reinforced concrete dome] Технологической особенностью при возведении железобетонной скорлупы купола являлось то, что армирование и укладка бетона осуществлены на оснастку без установки инвентарных стоек. Была использована технологическая система «оставляемой опорно-пролетной оснастки с временной центральной опорой» из сочлененной стальной трубы (рис. 2, б). Лепестки-ребра установлены вплотную друг к другу по всему периметру, последовательно сочленены на электросварке с образованием замкнутых поперечных сечений из спаренных швеллеров № 27. К решетчатой опорной оставляемой оснастке подвешен съемный деревянный настил опалубки (рис. 2, б, в). Стержни кольцевой арматуры железобетонного купола приварены электросваркой к верхнему поясу лепестков-ребер. В области сопряжения нижней - конической и верхней - купольной частей купольно-конического здания выполнено предварительно напряженное железобетонное кольцо dн.к = 62 м, воспринимающее основные растягивающие усилия от горизонтальных распорных нагрузок купола. Натяжение арматуры производилось на бетон электротермическим методом. В результате предварительного обжатия по наружному периметру железобетонного распорного кольца длиной окружности Lн.к = 194,7 м произошло уменьшение общей длины до Lн.к = 194,4 м. При этом в конструктивной системе купольно-конической конструкции сформировались сжимающие напряжения вместо напряжений растяжения, вызывающие образование трещин в бетоне, то есть получен эффект предварительного напряжения. Было зафиксировано, что обжатие распорного кольца привело к естественному процессу отслоения оснастки купольной конструкции с образованием зазора до 50 мм между поверхностью железобетона и опалубки. Через шесть лет после ввода в эксплуатацию зданию цирка присвоен статус памятника архитектуры регионального значения [3]. Об испытаниях и обследовании сооружения Учитывая уровень ответственности и уникальность конструктивной системы здания, кроме расчетов было выполнено масштабное моделирование купольно-конического здания с использованием метода подобия. Предварительно в КНИИСиП произвели модельные, а перед сдачей в эксплуатацию - натурные испытания несущих конструкций здания цирка (рис. 3). а б в г Рис. 3. Испытание здания цирка на статические нагрузки: а, б - масштабные модели; в, г - натурные испытания [Fig. 3. Circus building static load test: а, б - scale models; в, г - full-scale tests] В 2009 и повторно в 2017 гг. авторами статьи проведено инженерное обследование несущих и ограждающих конструкций здания. Установлено, что при проектной марке бетона М300 освидетельствованная по состоянию на 27.10.2009 г. марка составляет М318…М378, то есть на 6-13% превышает проектную марку. Освидетельствование прочности осуществлено методами неразрушающего контроля (рис. 4, а, б). Вскрытием установлено, что фибролит толщиной 180 мм уложен по слою пароизоляции (рис. 4, в). Проведены испытания крепежного анкера на выдергивание (рис. 4, г). а б в г Рис. 4. Инструментальные исследования конструкции купола цирка: а - при помощи измерителя прочности ИПС-МГ4.03; б - прибором Шмидта; в - исследование кровли из вскрытого шурфа; г - испытание анкера [Fig. 4. Instrumental investigations of the design of the circus dome: а - with the aid of measuring the strength IPS-MG4.03; б - device of Schmidt; в - investigation of a roof from the opened hole; г - anchor test] Поверочные расчеты Расчет несущих конструкций производился инженерными, а также численными методами на базе ЭВМ. Было оценено состояние конструкции по истечении 50 лет непрерывной и безаварийной эксплуатации. Проведено пространственное моделирование и осуществлены поверочные численные расчеты с использованием объемных конечных элементов (МКЭ) на базе программного комплекса «MiсroFe». При этом учтены: история эксплуатации конструкции, включая данные инженерных и численных расчетов (1976 г.); особенности конструирования и технология возведения; результаты натурных испытаний и физический износ конструкций. Первый этап. Произведен расчет пространственной модели верхней купольной конструкции, позволивший оценить и установить напряженнодеформированное состояние (НДС) каркаса из лепестков-ребер как оставляемой оснастки купольно-ребристого покрытия (рис. 5). По результатам поверочных расчетов можно констатировать следующее. 1. Максимальный расчетный прогиб железобетонного монолитного купола толщиной 60 мм (марка бетона М300 - В25) с опорными лепестками-ребрами из стальных прокатных профилей составил 3,618 мм - для стальных ребер и 3,980 мм - для железобетонной части купола. Следовательно, расчетные значения прогибов от внешней нагрузки не превышают величины выгиба 50 мм конструктивной системы ребристого купола, образовавшегося после предварительного натяжения на бетон стальной арматуры нижнего опорного пояса, соединяющего купольный и конический элементы купольно-конической конструкции здания цирка. а б в г Рис. 5. Схемы моделей стального каркаса из лепестков-ребер: а - трехмерная расчетная модель лепестка-ребра из прокатных швеллеров и двутавров; б - пространственная модель из лепестков-ребер; в - схема пространственной конечно-элементной модели (ПКЭМ) купола из лепестков-ребер; г - исходная и деформированная модель купола [Fig. 5. Schematic models of the steel frame of the petal-fins: а - three-dimensional design model of the petal-rib from rolling channels and I-beams; б - three-dimensional model of petals-ribs; в - the scheme of the 3D finite elements model (FEM) of the dome of petals-ribs; г - the original and deformed model of the dome] 2. Установлено, что армирование купола достаточно для надежной работы конструкции: по расчету требуются радиальная и кольцевая рабочие арматуры в железобетонной части купола диаметром 6 мм класса А-III (А400); сканирование арматуры показало, что в куполе установлена арматура диаметром 10 мм класса А-III (А400). Второй этап. На втором этапе приняты расчетные пространственные схемы (рис. 6). В расчете учтены вертикальные и горизонтальные нагрузки от всех региональных природно-климатических воздействий, а также технологические нагрузки при цирковых представлениях. По результатам комплексных исследований НДС модели купольно-конической конструкции здания цирка проведен поверочный расчет всех конструктивных элементов каркаса здания. На рис. 7 приведен пример системного расчета составного сечения лепестков-ребер здания. а б в г д е ж з и Рис. 6. Некоторые результаты исследований НДС модели здания цирка: а - купольно-коническая модель; б - 3D-модель; в - конечно-элементная модель; г - исходная и деформированная схемы; е - мозаика перемещений; д - усилия Sr в конструкциях; ж - усилия Ssrs в конструкциях; з - усилия Msrs в конструкциях; и - усилия Qr в конструкциях [Fig. 6. Some results of investigations of the stress-strained state of the circus building model: а - dome-conical model; б - 3D-model; в - finite elements model; г - the original and deformed scheme; е - - isofields of displacements; д - the efforts Sr in structures; ж - the efforts Ssrs in structures; з - the efforts Msrs in structures; и - the efforts Qr in structures] а б в Рис. 7. Результаты поверочного расчета: а - распределение расчетных продольных усилий N в стержневых элементах ребер купола (Nmax = 3097,35 кН); б - то же, поперечных Q (Qmax = 101,36 кН); в - то же, изгибающих моментов М (Мmax = -94,173 кН•м) [Fig. 7. The results of calibration calculation: а - distribution of the design longitudinal forces N in the bar elements of the dome ribs (Nmax = 3097.35 kN); б - the same transverse Q (Qmax = 101.36 kN); в - the same bending moments M (Mmax = -94.173 kN•m)] Выводы На основании комплексных расчетно-теоретических исследований НДС купольно-конической конструкции здания Казанского цирка, обладающего статусом уникального объекта, можно сделать следующие общие выводы. 1. Для достоверной оценки состояния здания необходимо учесть историю его создания: формирование и реализацию идеи архитектурно-конструктивной и объемно-пространственной структуры каркаса; оптимизацию равнопрочного распределения основных несущих конструктивных элементов на базе системы «расчет - моделирование - испытание»; строительно-технологические методы и приемы, влияющие на несущую способность и надежность каркаса; предварительное обжатие конструкции нижнего опорного кольца, воспринимающего растягивающие усилия. 2. Результаты исследований НДС при помощи программного комплекса «MiсroFe» для конструктивной системы купольно-конического каркаса с вариантами моделирования его работы на разных этапах строительства и эксплуатации, а также с учетом результатов инженерного обследования, физического износа и истории формирования НДС, позволяют с определенной степенью достоверности оценить фактическое напряженнодеформированное состояние конструкции здания. 3. По результатам проведенных авторами и другими специалистами инженерных инструментальных обследований строительных конструкций купольно-конической конструкции здания цирка можно констатировать, что техническое состояние всех несущих и ограждающих конструктивных элементов здания в целом, в соответствии с п.п. 3.11, ГОСТ 31937-2011, оценивается как работоспособное. Таким образом, эксплуатация здания Казанского цирка в течение 50 лет существенно не изменила прочность и устойчивость конструкции: здание пригодно к дальнейшей безаварийной эксплуатации по своему функциональному назначению.

Об авторах

Валерий Раифович Мустакимов

Казанский государственный архитектурно-строительный университет

Автор, ответственный за переписку.
Email: mustakimovvr@yandex.ru

кандидат технических наук, доцент кафедры архитектуры, ФГБОУ ВО «Казанский государственный архитектурно-строительный университет». Область научных интересов: конструкции зданий и сооружений, механика грунтов, основания и фундаменты зданий и сооружений.

ул. Зеленая, д. 1, Казань, Россия, 420043

Самат Нухович Якупов

Федеральный исследовательский центр «Казанский научный центр РАН»

Email: tamas_86@mail.ru

кандидат технических наук, старший научный сотрудник, Институт механики и машиностроения - обособленное структурное подразделение Федерального государственного бюджетного учреждения науки «Федеральный исследовательский центр «Казанский научный центр Российской академии наук». Область научных интересов: конструкции зданий и сооружений, механика тонкостенных конструкций, механика пленок и мембран, композиционные структуры, адгезия

ул. Лобачевского, д. 2/31, Казань, Россия, 420111

Список литературы