Учет температурных деформаций при геодезическом сопровождении строительства высотных монолитных зданий

УЧЕТ ТЕМПЕРАТУРНЫХ ДЕФОРМАЦИЙ ПРИ ГЕОДЕЗИЧЕСКОМ СОПРОВОЖДЕНИИ СТРОИТЕЛЬСТВА ВЫСОТНЫХ МОНОЛИТНЫХ ЗДАНИЙ

TAKING INTO ACCOUNT TEMPERATURE DEFORMATIONS IN PROCESS OF GEODETIC MAINTENANCE OF HIGH-RISE MONOLITIC BUILDING CONSTRUCTION

Рубцов И.В., Назаров И.А., Лавриненко Е.Д., Савушкина В.П.

Rubtsov I.V., Nazarov I.A., Lavrinenko E.D., Savushkina V.P.

ГОУ ВПО МГСУ

Даются организационные и методические рекомендации по учету температурных деформаций строительных конструкций при создании внутренней разбивочной сети, выполнении разбивочных работ, исполнительных съемок при строительстве высотных зданий.

Organizational and methodological recommendations taking into account temperature deformations of building constructions while creating internal laying-out grid, performance of laying-out works, operation observations in process of high-rise building construction are given.

В настоящее время y геодезиста на стройке основным измерительным средством является электронный тахеометр, имеющий в среднем стандартные точностные параметры шугл = 2^5 сек и ms = 2^5 мм. В идеале данные точности тахеометров обеспечивают качественное выполнение всех основных работ по геодезическому сопровождению строительства. Но реально на строительных площадках идеальные условия сразу нарушаются различными сторонними факторами. Одним из таких немаловажным факторов является температурная деформация строительных конструкций. Изменение температуры неизбежно вызывают периодическое (в зависимости от времени года или суток) расширение или сжатие строительного материала строящегося здания. Величины данных деформации соизмеримы, а порой и превосходят требуемые точности предъявляемые к современному геодезическому обеспечению строительства, и следовательно не учете их может серьезно исказить результаты выполненных геодезических работ.

Современные строительные технологии и материалы позволяют возводить высотные монолитные здания в «короткие сроки». Но даже эти сроки включает в себя не менее одного года непрерывных строительных работ. Следовательно, при геодезическом сопровождении данного строительства геодезистам приходиться выполнять измерения в широком диапазоне сезонных колебаний температуры окружающей среды. На территории Московской области этот диапазон составляет от -25 до +30° С.

Геодезическое сопровождение строительства высотного монолитного дома включает следующие основные работы: создание внутренней разбивочной сети здания (сооружения) на исходном и монтажных горизонтах, проведение разбивочных работ, выполнение исполнительных съемок несущих строительных конструкций.

Рассмотрим на примерах, к чему может привести игнорирование колебаний температуры внешней среды при геодезическом обеспечении высотного строительства.

Пример 1. Рассмотрим влияние температуры внешней среды на точность передачи методом вертикального проектирования [2] координат пунктов внутренней разби-вочной сети здания (сооружения) с исходного на текущий монтажный горизонт.

Пусть при средней температуре окружающего воздуха летом Т1 =+20°С на фундаментной плите (исходном горизонте) строящегося высотного здания создана внутренняя разбивочная сеть из четырех пунктов (А+20, Б+20, В+20, Г+20) схема которой представляет собой квадрат с длиной стороны Б+20 = 50 000 мм. Пункты расположены на пересечении строительных осей, а начало системы строительных координат расположено в точке пересечения диагоналей квадрата (рис.1).

В условиях изменения средней температуры окружающего воздуха осенью до Т2 = +10°С произойдет сжатие (температурная деформация) железобетона. При этом местоположение пунктов А+20, Б+20, В+20 и Г+20, закрепленных на фундаментной плите при Ть измениться и будет соответствовать новому положению А+10, Б+10, В+10 и Г+10 . В этом случае внутренние горизонтальные углы в сети не изменятся и останутся равными 90°, а длина каждой стороны согласно [3] станет равной Б+10 :

Б +10 = Б +20 х

где Кжб - коэффициент линейного расширения железобетона; Дт = Т2- Т1=10°-20 ° = -10° С.

Пусть при Т2 = +10°С методом вертикального проектирования [2] выполнена передача координат пунктов с исходного на монтажный горизонт I -ого этажа (конфигурация сети на этаже сохраняется). Точность передачи согласно [1] контролируется путем сравнения расстояний и углов между соответствующими пунктами исходного и монтажного горизонтов.

Часто, на практике, считая, что координаты пунктов сети на исходном горизонте неизменны, контрольные измерения, после выполнения вертикального проектирования, выполняют только на I -ом монтажном горизонте.

Предположим, что вертикальное проектирование и контрольные измерения на монтажном горизонте выполнены без ошибок. В этом случае внутренние горизонтальные углы в сети останутся равными 90°, а длина каждой стороны согласно формуле (1) будет короче на 6 мм, относительно Б+20. Данная величина (6 мм) согласно табл. 2 [1] соизмерима с средней квадратической погрешностью в линейных измерений при создании внутренней разбивочной сети здания. И в результате сравнения полученных (без учета температурного сжатия железобетона) расстояний и углов между соответствующими пунктами исходного и монтажного горизонтов будут получены ложные данные для редукции пунктов (рис.1).

При дальнейшем уменьшении (увеличении) температуры окружающего воздуха и не учете температурных сжатий (расширений) строительного материала строящегося здания при передачи внутренней разбивочной сети шаговым методом проектирования [2] (когда построение разбивочной сети на верхних монтажных горизонтах осуществляется не от исходного горизонта, а последовательно от сетей расположенных через 10-20 этажей) погрешность построения разбивочной сети на каждом новом монтажном горизонте будет возрастать.

Пример 2. Рассмотрим влияние сезонных колебаний температуры внешней среды при выполнении разбивочных работ или исполнительной съемке на монтажном горизонте, которые выполняются с использованием электронного тахеометра и пунктов внешней разбивочной сети объекта.

Часто при разбивке или исполнительной съемке на монтажном горизонте видимость на пункты внутренней разбивочной сети отсутствует и геодезисту приходиться работать от

пунктов внешней разбнвочной сети объекта. В этом случае геодезист устанавливает электронный тахеометр на монтажном горизонте и определяет координаты тахеометра из обратной угловой или линейно-угловой засечки на 3-4 пункта внешней разбивочной сети и далее полярным способом выполняется разбивка или исполнительная съемка.

Размеры всех конструктивных элементов здания на строительных чертежах (если другое не установлено в нормативно-технической документации на объект) [4] приводятся на температуру окружающей среды 293 К ( Тпр0ект = +20 °С).

Пусть строится высотное железобетонное здание с размерами плит межэтажных перекрытий 50x50 м. Начало строительных координат находится на пересечении его главных осей (рис.2). Летом при средней температуре железобетона +20 °С на исходном горизонте (+1 этаж) геодезист с пункта внутренней разбивочной сети полярным способом (без ошибок) выполнил разбивку угла перекрытия (Уг.1+20) по координатам (X +20=-25 000 мм, У +20= -25 000 мм) выданным проектировщиком (рис.2).

Предположим зимой при температуре железобетона Т2= - 20°С, требуется на г -ом монтажном горизонте разбить этот же угол используя внешнею сеть объекта. Не учитывая температурную деформацию (сжатие) строительного материала, геодезист разобьет данную точку по координатам выданным проектировщиком (X +20= -25 000 мм, У +20= -25 000 мм) на Т1 = +20 °С. Фактически с учетом температурной деформации, строительного материала вынесенный при Т1 на перекрытие исходного этажа Уг.1 будет при Т2 иметь координаты X _20 ,У -20, где

X _20 = X +20 - [АХ2ох Кж6] = -25 000 - [25 000х(-40) х 0,000012] = -24 988 мм,

У 20= У +20 - [АУ20х Дгх Кж6] = -25 000 - [25 000х(-40) х 0,000012] = -24 988 мм,

где АХ20 - разность координат по оси х между точкой начала системы координат и точкой угла перекрытия Уг.1+20 при Т1 = +20 °С;

Ау20 - разность координат по оси у между точкой начала системы координат и точкой угла перекрытия Уг.1+20 при Т1 = +20 °С;

Дт = - 40°С - разница между фактической температурой (Т2= -20°С) проведения измерений и принятой при проектировании Т1= + 20°С.

Таким образом в рассматриваемом случае, если при Т2= -20° С выполнить разбивку Уг.1 на г - ом монтажном горизонте от внешней сети по проектным координатам рассчитанным на Т1 = +20 °С мы получаем ошибку йТх и й^у в значениях координат X и У выносимой точки:

йТх = X _20- X +20 =-24 988 -

йТу = У -20- У +20 =-24 988 -

А полная линейная погрешность йТ8 в положении Уг.1 на г - ом монтажном горизонте составит -17 мм и это без учета других геодезических и строительных погрешностей.

Пример 3. Рассмотрим влияние сезонных колебаний температуры внешней среды при выполнении передачи высотной отметки на монтажный горизонт, электронным тахеометром.

Пусть на фундаменте строящегося железобетонного башенного сооружения создано высотное обоснование в виде строительного исходного репера (Нисх. = +1.000 м). Зимой на г-ом монтажном горизонте при температуре окружающего воздуха Т1 = -10°С необходимо закрепить новый репер (Н1 = +30.000 м). Передача высоты осуществляется тригонометрическим нивелированием от исходного репера (Нисх. = +1.000

м). Допустим, что передача высоты выполнена без ошибок и без учета температурных деформаций железобетона.

Выполняя летом контроль по аналогичной методике высоты данного репера при Т2= +20°С, за счет температурной деформации (расширения) строительного материала Д1! строящегося здания мы получим новую отметку репера Н2 = +30.010 м. В рассматриваемом примере Д1!находится по формуле:

Д,= Ътах х Дтх Кж6 =29 000x30x0,000012 = 10,5 мм

где Ьтах - превышение определенное тахеометром; Дт = Т2- Т1=20°-(-10°)=30° С;

Кжб - коэффициент линейного расширения железобетона;

Согласно приложению 4[1] при высоте монтажного горизонта от 15 до 60 м средние квадратические погрешности определения отметок на монтажном горизонте относительно исходного не должны превышать 4 мм. Следовательно полученная величина расхождения 10,5 мм между высотами одного и то гоже репера недопустима.

Таким образом, не учет температурной деформации строительных материалов при передаче тригонометрическим нивелированием отметки может вызвать брак в работе и в последующем усложнить процесс монтажа скоростных лифтов, облицовку стеклопанелями фасада строящегося здания и другие технологические процессы.

Из приведенных примеров следует, что не учет сезонных колебаний температуры при геодезическом сопровождении строительства на территории Московской области необходим с целью исключения погрешностей в результатах в геодезических измерений доходящих до десятков мм. Величины такого порядка при современных точностных требованиях (1=10 мм) к геодезическому обеспечению высотного монолитного строительства недопустимы и могут привести в лучшем случае к удорожанию работ, а в худшем - к авариям.

Для исключения из результатов геодезических планово-высотных измерений (при сопровождении строительства), погрешностей вызванных температурными деформациями строительных материалов происходящих из-за сезонных колебаний температуры внешней среды, можно использовать следующее организационные и методические рекомендации:

1. При выполнении измерений стальной рулеткой на железобетонной поверхности (металлической) поправку в измеренное значение за температурное деформацию железобетона можно не вводить, так как значения линейных коэффициентов расширения стали Кст = 0,000011 и железобетона Кж6 = 0,000012 близки и температурное влияние их на длины равнозначно.

2. При создании внутренней разбивочной сети на исходном горизонте и последующем её контроле на I - ом монтажном горизонте необходимо фиксировать среднюю температуру железобетонной поверхности (Тср.;), на которой располагаются пункты сети в процессе проведения измерений.

3. Температуру железобетонной поверхности рекомендуется измерять пирометром. На монтажном горизонте температура поверхности определяется в нескольких местах. Для камеральной обработки берется средняя температура железобетонной поверхности ТСр.р

4. В связи с возможным неравномерным и односторонним нагревом строящегося здания рекомендуется выполнять работы по передаче внутренней опорной сети в пасмурную погоду или в ночные и утренние часы.

5. После уравнивания плановой геодезической сети, измеренной при температуре Тсрл, проводят масштабирование координат пунктов внутренней сети на температуру

4/2010 ВЕСТНИК _4/2010_МГСУ

окружающей среды +20° С (Т+2о) относительно базовой точки (Бт), используя коэффициент масштабирования (Км). Базовую точку (Бт) для масштабирования целесообразно выбирать в точке пересечения главных осей, совмещая ее с началом системы координат (рис.3). В этом случае ее координаты (ХБт,УБ-) считаются неизменными при любых изменениях температуры железобетона. Коэффициент масштабирования (Км) ра-

Км = dTl / d+20 = 1+ АТх Кж6 ,

где dTi— длина линии на железобетонном перекрытии при T=i °С; d+20 — длина линии на железобетонном перекрытии при Т+2о= AT = Ti - Т+20;

Кжб - коэффициент линейного расширения железобетона.

6. При использовании компьютера масштабирование внутренней сети на заданную температуру окружающей среды относительно базовой точки (Бт) можно выполнять с помощью стандартных программ, применяемых в геодезии (CREDO, AutoCAD, Excel и пр.).

7. Масштабирование можно выполнять в полевых условиях, используя калькулятор. При этом алгоритм перевычисления координат XTi, yTi пункта внутренней сети или любой точки перекрытия определенных при температуре Т на температуру Т+20 =+20° следующий:

- по величинам разности температур AT = Tt - Т+20 и коэффициента линейного расширения железобетона (Кжв) вычисляем масштабный коэффициент Км (9);

- если координаты базовой точки Бт Убт) принимаются нулевыми, координаты пункта на температуру Т+20 =+20° С вычисляются по известным координатам на температуру измерения (XTi, УТ1):

Хт+20 = хт, / Км;

Ут+20 = Ут,/Км.

8. После проведения масштабирования внутренней сети на данном монтажном горизонте выполняется контроль точности создания сети путем сравнения расстояний и углов между соответствующими пунктами исходного и монтажного горизонтов приведенных на температуру Т+20 =+20° С.

9. При круглогодичной работе можно заранее подготовить каталоги координат пунктов внутренней сети здания на разную температуру железобетона. Диапазон и шаг изменения температуры выбирается с учетом временного интервала предполагаемой работы и среднесезонных температур местности. Для средних широт можно рекомендовать шаг изменения температуры 5° С.

10. При проведении разбивочных работ необходимо использовать координаты выносимых точек, откорректированные на фактическую температуру железобетона. Для этого можно подготовить каталоги выносимых точек на разные температуры. Это целесообразно сделать для точек, имеющих на каждом перекрытии неизменные координаты. Данные каталогов так же необходимо использовать при проведении исполнительных съемок.

11. При разбивке или съемке полярным способом электронным тахеометром, имеющим функцию ввода масштабного коэффициента в линейные измерения, на монтажном горизонте i с пунктов, полученных вертикальным проектированием, предлагается следующая последовательность работы:

1. Пусть на исходном горизонте имеем базис АВ, с длиной D+20 при Т=+20 °С ;

2. Перед выполнением работ (разбивка или съемка) на монтажном горизонте при T=i °С необходимо измерить базис АВ и получить его длину Di при фактической температуре.

3. Вычисляется масштабный коэффициент Км = D J D+2o.

4. На монтажном горизонте i тахеометр устанавливается на точку полученную вертикальным проектированием.

5. В прибор вводится масштабный коэффициент, позволяющий не учитывать в линейных измерениях температурное влияние на длины железобетонных конструкций.

6. Далее выполняется разбивка или съемка в обычном порядке.

12. Если центр используемой при масштабировании системы координат (СКМ) находится в точке пересечения главных осей здания, то масштабирование выполняется по рассмотренной выше схеме. Если работы проводятся в другой системе координат объекта (СКО), центр которой не совпадает с точкой пересечения главных осей здания, тогда:

- выбирают условную систему координат (СКМ) с центром в точке пересечения главных осей здания (осей его симметрии);

- пересчитывают координаты пунктов внутренней разбивочной сети и характерных точек (подлежащих разбивке и съемке) из системы СКО в систему СКМ.

- масштабирование координат характерных точек и все основные работы по геодезическому сопровождению строительства данного здания выполняют только в системе СКМ.

13. Для комплекса высотных зданий с единой стилобатной частью или зданий, имеющих значительные площади в основании, фундаменты и перекрытия могут проектироваться в виде нескольких плит, разделенных температурными швами. В этом случае влияние температурной деформации железобетона надо учитывать в пределах каждой из плит, отдельно, создавая на каждой плите свою условную систему координат (СКМ) с центром в точке пересечения главных осей плиты.

Литература

1. СНиП 3.01.03-84. Геодезические работы в строительстве. Москва, 1985 г.

2. Справочное пособие по прикладной геодезии. Москва «Недра» 1987 г.

3. Справочник по элементарной математике, механике и физике. Минск 1962 г.

4. ГОСТ 26433.0-85 «Правила выполнения измерений».

References

1. SNiP 3.01.03-84. Geodetic works in construction. Moscow, 1985.

2. Applied geodesy manual. Moscow: Nedra. 1987.

3. Elementary mathematics, mechanics and physics manual. Minsk, 1962.

4. GOST 26433.0-85 Measurement implementation regulations.

E-mai aemopoel: geodesy@mgsu.ru : pik-mgsu@mail.ru Рецензент: Г.Е.Назаров профессор, д.т.н., лауреат Госпремии РФ