Загальна характеристика роботи

 

Актуальність теми. Зростання урбаністичної забудови великих міст пов’язане насамперед з високою вартістю землі в центральних районах великих міст, з використанням реклами у престижних цілях великими діловими і фінансовими компаніями, а також із розвитком туризму тощо.

Проблема збільшення поверховості житлових і громадських будівель в містах України стає, таким чином, дедалі гострішою і актуальнішою.

Забезпечення сталості і надійності багатоповерхових каркасно-монолітних будівель – одне з головних завдань натурних спостережень і експериментальних досліджень.

Збільшення поверховості будівель, ускладнення конфігурації конструктивних елементів, зменшення їх перерізу завдяки застосуванню високих класів бетону і арматурних сталей, ускладнення стиків – все це не знімає з порядку денного наявність проблеми підвищення точності геометричних параметрів монолітних залізобетонних конструкцій і передусім колон і стін, що впливають на якість і надійність будівель, що зводяться, а також на економічну ефективність.

Зростання поверховості каркасно-монолітних будівель у містах України потребує розробки комплексу заходів, спрямованих на те, щоб уникнути при їх будівництві накопичення помилок за висотою будівлі. Останнім часом у науковій будівельній літературі ці питання не дістають відображення і, більш того, в Україні відсутні нормативні документи, що регламентують відхилення конструкцій у процесі їх будування від проектного положення. Усе це відбувається, незважаючи на те, що на цей час будівельними фірмами накопичений значний досвід будівництва таких об’єктів.

В основі розробки нормативних документів, які встановлюють допуски на зведення конструкцій багатоповерхових будівель, і насамперед колон, має бути велика кількість статистичних даних, які фіксують положення конструкцій після будівництва з наступною обробкою цих даних методами теорії ймовірностей.

Аналіз точності геометричних параметрів зведення конструкцій багатоповерхових каркасно-монолітних будівель, які вже збудовані або будуються зараз, дає не тільки інформацію про точність зведення будівель, але і може бути використаний у процесі розробки нормативних документів, а саме тієї частини, яка регламентує відхилення конструкцій від проектного положення.

Як відомо, на точність зведення конструкцій впливає ціла низка чинників, пов’язаних у першу чергу з обраною технологією будівельно-монтажних робіт, а також з обсягами та якістю геодезичного забезпечення.

Проблемам точності геометричних параметрів будівельних конструкцій присвячено праці В.І. Егліта, В.С. Ситника, С.П. Войтенка, М.Я. Єгнуса, В.В. Ханджи, С.Ф. Чернишова, В.С. Сно, В.І. Торкатюка, Д.Ф. Гончаренка та інших.

Проте у більшості цих праць розглядаються питання точності геометричних параметрів збірних залізобетонних та металевих конструкцій.

Зростання обсягів будівництва в містах України багатоповерхових каркасно-монолітних будівель вимагає від учених, проектувальників та будівельників вирішення низки завдань. До них належить вирішення комплексних питань точності зведення монолітних конструкцій у сучасних умовах, включаючи дослідження можливості застосовуваних комплектів опалубки формувати конструкції з геометричними параметрами, що вимагаються, розробка державних нормативних документів, що передбачають вимоги до нормування відхилень конструкцій від проектного положення, геодезичне забезпечення зведення будівель та інші.

Зв’язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Дисертаційна робота виконана відповідно до наукового напрямку кафедри технології будівельного виробництва Харківського державного технічного університету будівництва та архітектури.

Її автор є співвиконавцем державної теми "Підвищення ефективності зведення багатоповерхових каркасно-монолітних будівель", яка розробляється на кафедрі технології будівельного виробництва. Номер державної реєстрації 0208U000612.

Метою дисертаційної роботи є обґрунтування і розробка технологічного забезпечення та нормування точності геометричних параметрів конструкцій багатоповерхових каркасно-монолітних будівель.

Для досягнення поставленої мети в роботі поставлено такі завдання:

дослідити тенденцію розвитку багатоповерхового будівництва за кордоном і в Україні і розглянути існуючі конструктивні рішення багатоповерхових каркасно-монолітних будівель;

проаналізувати основні технологічні процеси, що входять до комплексу робіт по зведенню будівель і основних типів опалубочних систем, які застосовуються при будівництві каркасно-монолітних будівель;

дослідити рівень геодезичного забезпечення технологічного процесу зведення багатоповерхових каркасно-монолітних будівель;

виконати аналіз точності геометричних параметрів вертикальних конструкцій багатоповерхових каркасно-монолітних будівель з метою визначення рівня статичної однорідності та стабільності технологічних процесів і використання отриманих характеристик точності при розробці державних нормативних документів;

на основі багатофакторного, математичного моделювання розробити методику прогнозування питомої трудомісткості зведення багатоповерхових каркасно-монолітних будівель за заданих характеристик точності геометричних параметрів конструкцій і, встановлених методом експертної оцінки технологічних параметрів будівельно-монтажних і геодезичних робіт.

Об’єкт дослідження – технологічні процеси зведення багатоповерхових каркасно-монолітних будівель.

Предмет дослідження – технологічні та організаційні параметри зведення багатоповерхових каркасно-монолітних будівель, характеристики точності геометричних параметрів конструкцій.

Методи дослідження – бібліографічний пошук, системно-структурний, імовірно-статистичний і кореляційний аналізи, метод кінцевих елементів, виробничі спостереження, математичне моделювання.

Наукову новизну становлять здобуті автором і винесені до захисту наукові результати:

визначено, що основними опалубочними системами, які широко застосовуються при будівництві багатоповерхових каркасно-монолітних будівель, є опалубні системи ДОКА і PERI. Аналіз вітчизняного і зарубіжного досвіду використання цих систем свідчить про їх високу ефективність;

показано, що побудовані за даними виконавчих геодезичних зйомок гістограми відхилень колон і стін від вертикальної осі підпорядковуються закону нормального розподілу, що в свою чергу свідчить про високу статичну однорідність і стабільність технологічного процесу зведення таких будівель;

встановлено, що застосовані опалубні системи, методи геодезичного забезпечення і високоточні геодезичні прилади дають високу точність зведення монолітних конструкцій;

точність геометричних параметрів конструкцій не залежить від відмітки, на якій ведуться будівельно-монтажні роботи та геодезичні виміри;

здобуті характеристики точності геометричних параметрів конструкцій можуть бути використані для розробки Державних будівельних норм при визначенні відхилень конструкцій, що допускаються, від проектного положення;

розроблена методика прогнозування питомої трудомісткості зведення конструкцій багатоповерхових каркасно-монолітних будівель на основі багатофакторної математичної моделі.

Практична значущість отриманих результатів. Здобуті в результаті досліджень характеристик точності геометричних параметрів конструкцій повною мірою будуть використані провідними науково-дослідними, проектними інститутами, вищими навчальними закладами для розробки Державних будівельних норм при нормуванні допусків на зведення конструкцій. Розроблені методики визначення характеристик точності дозволяють будівельним фірмам здійснювати дієвий контроль за якістю будівельно-монтажних робіт. Методика прогнозування питомої трудомісткості зведення будівель дозволяє будівельним фірмам підвищити якість інженерної підготовки будівництва багатоповерхових каркасно-монолітних будівель.

Результати досліджень прийнято до впровадження будівельними фірмами, що здійснюють будівництво каркасно-монолітних будівель, а також Науково-дослідним інститутом будівельних конструкцій Держбуду України при розробці нормативних документів.

Особистий вклад автора. Основні результати дисертаційної роботи отримані автором самостійно і дістали відображення в двох одноосібних наукових публікаціях [5, 7]. В інших опублікованих у співавторстві працях [1, 2, 3, 4, 6] особистий вклад автора полягає в постановці мети і формулюванні наукової проблеми, завдань дослідження, побудові графічних і розрахункових залежностей, оцінки ефективності, а також впровадженні у виробництво.

Апробація результатів роботи. Результати роботи доповідалися на 62-й, 63-й науково-технічних конференціях Харківського державного технічного університету будівництва та архітектури у 2007-2008 рр., на міжнародних науково-технічних конференціях: "Інноваційні технології житлового циклу об’єктів житлово-цивільного, промислового і транспортного призначення" ПДАБП, Крим, вересень 2007 р.; "Ресурс і безпека експлуатації конструкцій будівель і споруд", ХДТУБА, вересень 2007 р.; "Актуальні проблеми і досвід висотного будівництва з урахуванням забудови підземного простору", Київ НДІБВ Держбуду України, листопад 2007 р.

Публікації. Здобуті результати досліджень відображені у 7 публікаціях у спеціальних виданнях, які входять до переліку затверджених ВАК України.

Структура і обсяг дисертації. Дисертація складається зі вступу, чотирьох розділів, загальних висновків і рекомендацій, списку літератури з 94 найменувань і додатків. Дисертація включає 19 таблиць і 46 рисунків. Загальний обсяг дисертації складає 182 сторінки.

 

ЗМІСТ РОБОТИ

 

У вступі дисертації обґрунтовано актуальність обраної теми досліджень, поставлено мету і завдання досліджень, наведено основні положення і результати, які виносяться на захист.

У першому розділі роботи розглянуто основні тенденції розвитку висотного каркасно-монолітного будівництва у світовій практиці. Наведено основні чинники, які необхідно брати до уваги при будівництві висотних будівель. Розглянуто основні конструктивні рішення багатоповерхових каркасно-монолітних будівель в Україні. Відзначено, що будівництво будівель з висотою понад 30 поверхів визначено як експериментальне, і їх зведення має здійснюватись за індивідуальними програмами, які розглядаються та затверджуються в Держбуді України.

При розгляді стану розглядуваної в роботі проблеми на особливу увагу заслуговує питання точності геометричних параметрів вертикальних конструкцій, від яких залежить міцність і надійність, естетичні та експлуатаційні якості будівель.

У розділі наведено методику досліджень точності геометричних параметрів конструкцій.

У другому розділі розглянуто комплексний процес зведення багатоповерхових каркасно-монолітних будівель. Виконаний аналіз наукових досліджень свідчить про необхідність системного підходу до технологічного проектування будівництва багатоповерхових будівель із монолітного залізобетону. Особливої уваги заслуговує вибір систем опалубок для зведення монолітних конструкцій з необхідною якістю. Як показує досвід будівництва, в окремих випадках опалубка коштує дорожче, ніж бетон і арматура, разом узяті. Пошкодження опалубки призводить до відхилення конструкцій від проектних розмірів і як наслідок, до подорожчання будівництва таких будівель. Найширшого застосування у будівництві багатоповерхових каркасно-монолітних будівель у містах України набувають опалубні системи фірм DOKA і PERI. Виконаний в першому розділі огляд організаційно-технологічних рішень зведення багатоповерхових будівель, у тому числі в інших країнах, дає змогу зробити висновок про високу ефективність використання опалубних систем цих фірм, які дозволяють зводити будівлі з високою якістю монолітних залізобетонних конструкцій.

Водночас визначено, що на якість зведення конструкцій впливає ціла низка чинників, у тому числі способи подачі бетонної суміші в опалубку. Дослідження показали, що в багатьох випадках спосіб "кран-баддя" стає причиною, що призводить до відхилення конструкцій від проектного положення. Тому доцільно рекомендувати для бетонування вертикальних конструкцій подачу бетону бетононасосами з розподільчими стрілами.

Третій розділ роботи присвячено дослідженню точності геометричних параметрів конструкцій багатоповерхових будівель, зведених за каркасно-монолітною схемою. Як відомо, рівень розробки нормативно-технічної документації в Україні значною мірою відстає від темпів та обсягів будівництва багатоповерхових каркасно–монолітних будівель. З огляду на те, що ця робота присвячена питанням точності геометричних параметрів несучих конструкцій, які визначають точність зведення будівель в цілому, основну увагу автор приділив точності зведення колон та стін, які є основними несучими елементами в каркасно-монолітних будівлях.

Основним методом, що застосовується при геодезичних роботах в багатоповерховому будівництві на цей час, є метод вертикального проектування, тобто проектування точок планової опорної основи на монтажні горизонти.

У процесі роботи було виконано дослідження точності зведення конструкцій на різних горизонтах багатоповерхових будівель, унаслідок чого визначено, що сучасні методи геодезичного забезпечення та високоточні геодезичні інструменти дають можливість зводити конструкції з високою точністю. На відміну від будівництва висотних будівель із збірного залізобетону, де точність відповідно до існуючих норм могла знижуватись у міру переходу на вищу відмітку, в каркасно-монолітному будівництві точність, як показали дослідження, не залежить від позначки, на якій ведуться роботи та їх геодезичний супровід. Як показує аналіз побудованих за даними виконавчих геодезичних зйомок гістограм в окремих випадках відхилення колон від вертикальної осі на перших поверхах значно перевищує їх відхилення на останніх.

Аналіз нормативних документів України та країн ближнього зарубіжжя свідчить про відсутність в них регламентації допусків на відхилення конструкцій від проектного положення. Як відомо, для розробки нормативних документів що регламентують точність геометричних параметрів зведення конструкцій, необхідно чимало статичних даних, які фіксують положення конструкцій після їх зведення з наступною обробкою їх методами теорії ймовірності.

Відомо, що аналіз точності геометричних параметрів конструкцій багатоповерхових каркасно-монолітних будівель не тільки дає інформацію про точність зведення будівель, але може бути використаний для визначення нормативних допусків зведення конструкцій при розробці державних будівельних норм.

У роботі виконано комплекс досліджень, спрямованих на визначення характеристик точності геометричних параметрів зведення конструкцій багатоповерхових каркасно-монолітних будівель у містах Києві та Харкові.

Дослідження проводились за матеріалами, представленими будівельними фірмами України ТОВ "Основа-Солсіф" (Київ), ТОВ ТММ (Київ), ЗАТ Познякижитлобуд (Київ), АТ ЗТ Спецбудмонтаж (Харків), АТ Житлобуд-2 (Харків), ТОВ "Constraction Group" (Харків), шляхом визначення основних характеристик точності геометричних параметрів, переважно колон та стін.

Для обробки результатів геодезичних зйомок були використані методи математичної статистики: визначення характеристик генеральної сукупності за даними вибірками критерію Пірсона "χ - квадрат" при визначеності збіжності з нормальним емпіричним розподілом. Емпіричний розподіл було задано у вигляді послідовності (χi, χi+i) і відповідним їм частот ni (сума частот, які потрапили в і-й інтервал).

З використанням критерію Персона перевірялася гіпотеза про те, що генеральна сукупність Х розподілена нормально.

Із рівнем значущості α перевірка гіпотези про нормальне розподілення генеральної сукупності виконувалась шляхом визначення вибіркової середньої і вибіркового середнього квадратичного відхилення.

У нашому випадку диференціальна функція розподілення для досліджуваних об’єктів, має вигляд:

.

На рис.1,2 наведено гістограми та криві нормального розподілу

відхилень колон багатоповерхових каркасно-монолітних будівель.

Всього у роботі досліджено положення понад 6000 колон (табл).

Установлено, що відхилення колон від вертикальних осей відповідають закону нормального розподілення, що свідчить про високу статичну однорідність і стабільність технологічного процесу зведення багатоповерхових каркасно-монолітних будівель.

Виходячи з отриманих середньоквадратичних відхилень колон досліджених будівель зроблено висновок, що їх допустиме відхилення може бути визначене в межах ±15 мм.

Для отримання числових результатів, що характеризують зміни напруженого стану при їх відхиленні від вертикальних осей, за допомогою комплексу SCAD версія 11.2 виконано числовий експеримент на моделі розрахункової схеми 27-поверхової будівлі.

Результати експерименту свідчать про те, що найбільші зміни в зусиллях виникають в колонах, розташованих на 3 поверсі 27-поверхового будинку при їх відхиленні від вертикальної осі до 20 мм. Величина зусиль при цьому збільшується на 60-70%.

У четвертому розділі розроблено методику прогнозування питомої трудомісткості зведення конструкцій каркасно-монолітних будівель. В основу методики покладено багатофакторну логіко-математична модель.

Чинники або параметри моделі були вибрані з допомогою спеціалістів – експертів, які мають значний досвід роботи в багатоповерховому каркасно-монолітному будівництві. Шляхом ранжування запропонованих експертами чинників до моделі ввійшли такі, що найбільшою мірою впливають на критерій оптимізації, яким є питома трудомісткість зведення монолітних конструкцій, а саме: X1 – відмітка виконання роботи, м; X2 – середньодобове вітрове навантаження, м/с; X3 – питома трудомісткість на основні розбивні геодезичні роботи, люд/год/м3; X4 – питома трудомісткість на геодезичні роботи при установленні і вивіренні опалубки вертикальних конструкцій, люд/год/м3; X5 – питома трудомісткість на здійснення виконавчої зйомки горизонтальних конструкцій люд/год/м3; X6 – питома трудомісткість виправлення дефектів після зняття опалубки, люд/год/м3; X7 – час установлення опалубки вертикальних конструкцій, год.; X8 – час зняття опалубки вертикальних конструкцій, год.; X9 – кількість комплектів опалубки горизонтальних конструкцій, шт.

 

Характеристики точності геометричних параметрів

колон багатоповерхових будівель

№ п/п	Будівля, житловий дім, будівельна фірма, система опалубки	X, мм відх. циф. осі відх. бук. ряду	σ, мм відх. циф. осі відх. бук. ряду
1	32-поверховий торгово-офісний центр "Парус", м. Київ; ТОВ "Основа-Солсіф"; DOKA	-0.11 +0.22	4.95 4.92
2	25-поверховий житловий дім по вул. Леніна, м. Харків, АОЗТ Спецбудмонтаж, PERI	-0.43 1.41	11.76 11.03
3	25-поверховий житловий дім по вул. Трінклера, м. Харків; АОЗТ Спецбудмонтаж, PERI	+0.13 +0.004	3.6 3.9
4	25-поверховий житловий дім по вул. Зверинецькій, м. Київ, ТОВ ТММ, DOKA	-0.688 +0.421	5.168 5.736
5	25-поверховий житловий дім по вул. Отакара Яроша, м. Харків; ТОВ "Основа-Солсіф"; DOKA	-1.178 0.275	6.32 8.53
6	24-поверховий житловий дім по вул. Отакара Яроша 24, м. Харків; АО Житлобуд-2	-1.935 +2.405	10.12 9.82
7	24-поверховий дім по вул. Старонаводницькій, м. Київ; ЗАТ Познякижитлобуд; DOKA	+1.10 +1.08	2.34 2.27
8	24-поверховий житловий дім по пр. Леніна, м. Харків; ТОВ "Constructon group", PERI	+0.09 +0.23	6.60 5.36
9	32-поверхова будівля на пл. Спортивна, м. Київ; ТОВ "Основа-Солсіф"; DOKA	-0.91 +1.53	9.26 9.25
10	24-поверховий житловий дім із збірного з/б на вул. Познанській; м. Харків, Тр-т Харківсталь-конструкція	-0.47 +0.01	9.6 8.7

 

Дослідження для побудови моделі проводилися під час зведення 25 поверхів каркасно-монолітного житлового будинку по перевулку Отакара Яроша в місті Харкові. Взаємозв’язок між чинниками і результативним показником досліджувався на ПЕОМ за допомогою пакету аналізу табличного процесора “Excel 2007”. В результаті розрахунку щільності зв’язку та параметрів одержано рівняння регресійної моделі

У(х) = 11,35 + 0,006 Х1 + 3,3 Х3 + 3,9 Х4 - 0.31 Х8.

Ця модель показує, що найбільший вплив на результативний показник справляє питома трудомісткість на основні розбивні геодезичні роботи при установці та вивіренні вертикальної опалубки.

На основі даної моделі розроблено методику прогнозування питомої трудомісткості зведення конструкцій багатоповерхових каркасно-монолітних будівель.

Здобуті в дисертаційній роботі результати досліджень впроваджені НДІБК Держбуду України при розробці державних будівельних норм та будівельними фірмами при розробці проектно-технологічної документації.

Висновки

 

У результаті проведених теоретичних і експериментальних досліджень в роботі вирішено завдання технологічного забезпечення і нормування точності геометричних параметрів вертикальних конструкцій багатоповерхових каркасно-монолітних будівель.

Встановлено, що в технологічному процесі зведення багатоповерхових каркасно-монолітних будівель головним є бетонування конструкцій. При цьому якість конструкцій, що зводяться, і насамперед один із її головних показників – точність геометричних параметрів – залежить від застосованих опалубних систем та їх характеристик.

Показано, що найширшого застосування при зведенні багатоповерхових каркасно-монолітних будівель в Україні набувають системи опалубок фірм ДОКА і PERI. Вітчизняний і зарубіжний досвід використання цих опалубок показав їх високу ефективність, яка дозволяє зводити будівлі з високою точністю геометричних параметрів конструкцій.

Рівень розробки нормативно-технологічної документації в Україні значною мірою відстає від темпів будівництва багатоповерхових каркасно-монолітних будівель. До того ж проектувальники і будівельники змушені використовувати або застарілі нормативні документи, або нормативну базу країн ближнього зарубіжжя, яка також не сповна відповідає сьогоднішнім вимогам.

Аналіз точності зведення вертикальних конструкцій багатоповерхових каркасно-монолітних будівель дав такі результати:

за даними виконавчих геодезичних зйомок понад 6000 вертикальних конструкцій багатоповерхових каркасно-монолітних будівель, встановлено, що їх відхилення підпорядковуються закону нормального розподілу, а це є свідоцтвом статичної однорідності і стабільності технологічного процесу їх зведення;

застосовані системи опалубок, сучасні методи геодезичного забезпечення і високоточні геодезичні прилади дозволяють зводити конструкції з точністю, яка перевищує точність монтажу збірних залізобетонних конструкцій;

аналіз гістограм відхилень колон від вертикальної осі, побудованих за даними виконавчих геодезичних зйомок показав, що точність геометричних параметрів конструкцій багатоповерхових каркасно-монолітних будівель не залежить від відмітки, на якій ведуться будівельно-монтажні роботи та геодезичні вимірювання, що їх супроводять.

Розрахунки на міцність, виконані методом кінцевих елементів, дозволяють зробити висновок про доцільність призначення допуску на відхилення колон и стін від вертикальної осі в межах, що не перевищують ±15 мм.

Застосування методів теорії ймовірностей та чинних державних стандартів дало змогу отримати характеристики точності геометричних параметрів вертикальних конструкцій, аналіз яких дозволяє зробити висновок про доцільність встановлення відхилень колон, що допускаються, від вертикальної осі в межах ±15 мм. Здобуті результати доцільно використати при розробці державних будівельних норм.

Застосування розробленої на основі багатофакторної математичної моделі методики прогнозування питомої трудомісткості зведення конструкцій багатоповерхових каркасно-монолітних будівель дозволяє підвищити якість підготовчих робіт на стадії інженерної підготовки будівництва аналогічних об’єктів.

Результати досліджень прийнято Науково-дослідним інститутом будівельних конструкцій Держбуду України для використання їх при розробці нормативних документів, а також будівельними фірмами для включення у проектно-технологічну документацію.