На базі Харківського національного університету міського господарства імені О.М. Бекетова колектив учених створив та впровадив прогресивні будівельні конструктивні системи і технології їх зведення, що в рази перевершують українські та закордонні аналоги

Ще на зорі тисячоліття провідним фахівцям будівельної галузі та профільним науковцям стало очевидно, що стара епоха будівельної промисловості, де комплектація новобудов ґрунтувалася на типових конструкціях та виробах, номенклатура яких була одноманітною, а технології застосування обмеженими, добігає кінця. Реалії потребували сучасної концепції індустріального будівництва, орієнтованої на замовника, яка передбачала б індивідуальний підхід до проєктних рішень кожного будівельного об’єкта окремо.

Необхідність нових підходів диктувалася ще й викликами природи, яка щороку дедалі більше потрясає світ сейсмічними катаклізмами, повенями, смерчами, торнадо тощо. На порядку денному гостро постає й питання забезпечення людей продуктами харчування, і задля його вирішення архітекторам, проєктантам, будівельникам потрібно шукати шляхи переходу до методів, засобів і технологій зведення споруд в незручних, складних у геодезичному і геологічному плані умовах. Бо ж кращі землі слід використовувати для сільськогосподарських та дендрологічних потреб.

Саме за таких умов науковці ХНУМГ ім. О.М. Бекетова у співпраці з партнерами взялися за розроблення науково-технічних основ проєктування, створення та впровадження високоефективних і надійних прогресивних будівельних конструктивних систем і технологій. Ключовим у розв’язанні цього амбітного завдання став комплексний підхід, що поєднав методи і методики раціоналізації на всіх рівнях тріади матеріал — конструкція — технологія. Це і був шлях, який передбачає створення нових гнучких концептуальних підходів до управління й реалізації процесу будівництва та веде до гармонізації будівельних норм України із стандартами й директивами Європейського Союзу.

За роки пошуків, теоретичних досліджень і експериментів було вироблено комплексний підхід створення систем, виконаних із залізобетону, сталезалізобетону, металу, в основі яких лежать нові енергетичні принципи. Проривом колективу стало розроблення науково-розрахункового методу раціонального проєктування, який відкрив шлях до створення конструктивних систем із заданими витратами матеріалу і максимальною несучою здатністю та заданим ресурсом з мінімальними витратами матеріалу. Уперше в будівельній практиці забезпечено можливість оцінки залишкового ресурсу конструкції з урахуванням закономірностей її деградації на всьому діапазоні життєвого циклу будівельних систем.

Цитуючи іспанського архітектора Едуардо Торроха, який наголошує, що найкраща споруда та, надійність якої забезпечується головно за рахунок її форми, а не за рахунок міцності матеріалу, ректор Харківського національного університету міського господарства імені О.М. Бекетова Володимир Бабаєв зазначає, що саме таку філософію покладено в основу роботи колективу науковців університету за участі фахівців Українського інституту сталевих конструкцій ім. В.М. Шимановського, Національного транспортного університету, ТОВ «Стальконструкція» та ТОВ «ЛІРА СОФТ» у напрацюванні нових підходів до проєктування, конструювання, виготовлення, зведення та реконструкції конструктивних систем, виконаних із залізобетону, сталезалізобетону, металу.

«Створені конструктивні системи перевершують державні та закордонні аналоги за еколого-енергетичними і техніко-економічними показниками. Вони дають змогу продукувати будівельні об’єкти з будь-якою внутрішньою та зовнішньо геометрією і вже вдало реалізовані у проєктуванні, зведенні, реконструкції будівель і споруд різного типу», — зазначив ректор.

Раціональне проєктування

За словами проректора з наукової роботи університету Марії Сухонос, основне завдання у проєктуванні будівель та споруд — одержання рівноміцної конструкції, тобто найбільш раціональної системи. Як розповіла пані Марія, на сьогодні основний метод одержання такої конструкції перевірочний, який ґрунтується на варіативному, а не оптимальному підході. Кількість варіативних розрахунків може бути великою і залежить передусім від досвіду й інтуїції проєктувальника, потребує значних витрат часу, коштів, оскільки процес передбачає повномасштабне розроблення варіантів і їх порівняння, не надає результуючого розрахунку зведених параметрів стійкості й міцності остаточної загальної конструкції, тобто будівлі.

Для розв’язання проблеми підвищення ефективності робіт із проєктування будівельних конструкцій на базі ХНУМГ ім. О.М. Бекетова колектив науковців розробив новий підхід, який дає змогу вести цілеспрямовані поелементні та остаточні сукупні, ефективні розрахункові роботи. Його неспростовний плюс — те, що зводиться до мінімуму елемент суб’єктивності у виборі проєктних рішень завдяки вирощуванню (моделюванню) за всіма параметрами кінцевої збалансованої або оптимальної конструкції. Тобто запропоновано ефективний методично-розрахунковий і програмний інструментарій раціонального проєктування будівельних механічних систем, використовуючи який, кожен конструктор-проєктувальник може розробити проєкт будівельного конструктиву, що відрізняється від наявних істотною новизною конструктивних форм, екологічною позитивністю, економічною ефективністю.

Щодо наукової новизни дослідження, то її очевидність полягає в тому, що завдяки введенню в розрахунок нового критерію граничного стану деформації досягається підвищення надійності та стійкості конструктиву з одночасним зниженням використання матеріалів. Новий науковий результат у теорії механіки деформованого твердого тіла на практиці обертається величезною економією витратних матеріалів. Нові методи натурних випробувань конструктивних систем на силові й температурні впливи, розроблені колективом науковців, не лише значно зменшують трудомісткість, а й у рази здешевлюють ці процеси.

До споруди, як до живої істоти

Один з надважливих і знакових у сучасному будівництві досягнень колективу науковців ХНУМГ ім. О.М. Бекетова, як стверджують практики, — створення унікального інструментарію, який становить новітню концепцію управління ресурсом елементів будівельних конструкцій на всіх етапах життєвого циклу. Це, за словами завідувача кафедри будівельних конструкцій університету Валерія Шмуклера, дає змогу ще до початку будівельних робіт прогнозувати весь життєвий цикл усіх елементів і споруди загалом та прогнозувати їх ресурс за проєктними параметрами й чинниками впливу довкілля в експлуатації споруди, а також оцінювати залишковий ресурс.

Іншими словами, як пояснила Марія Сухонос, ще до зведення об’єкта будівельники мають змогу визначити його стан упродовж усього періоду експлуатації. Тобто відбувається моніторинг здоров’я споруди, як діагностування стану людини. Проте будівельники чи експлуатаційники в даному разі мають набагато більше можливостей точніше визначити стан об’єкта в будь-який період його експлуатації, тоді як висновки медиків залежать від численних непередбачуваних чинників, що впливають на пацієнта. Застосування інструментарію визначення ресурсу будівлі чи її елементів дає змогу оптимізувати видатки на будівництво, ремонт і реконструкцію об’єктів будівництва, підвищити їх надійність, безпеку експлуатації та довговічність.

«Запропоновані технології проєктування вже знайшли відображення за кордоном у програмному комплексі ABAQUS (SIMP-метод і BESO-метод), а також у вітчизняних матеріалах, зокрема державних нормах України та нормативних стандартах, технічних вказівках і рекомендаціях, програмному комплексі «ЛІРА» (версія 10.6)», — зазначив професор Валерій Шмуклер.

Що приходить на зміну старих будівельних конструкцій

Те, що сучасне будівництво вже не може розвиватися на старих принципах проєктування із застосуванням давніх неповоротких конструкцій, стало очевидним не сьогодні. Навіть дитячі моделі конструювання типу «Лего» значно випереджали у технологічності старі методи будівництва.

Учені ХНУМГ ім. О.М. Бекетова у процесі досліджень змусили працювати в потрібному руслі оптимізаційні принципи, які покладено в основу еталонного проєктування. Зокрема, практичне втілення цей пошук знайшов у розробленні технології конструювання та виробництва нових синтезованих конструктивних елементів.

Як пояснили в університеті, до їх числа входять збірні й монолітні залізобетонні конструкції, полегшені вкладишами-пустоутворювачами; полегшені сталезалізобетонні конструкції високого ступеня заводської готовності; висячі вантові конструкції, яким притаманні високі будівельно-експлуатаційні якості — міцність, довговічність, вогнестійкість, покращені звукоізоляційні й енергоефективні властивості, жорсткість, широкі комбінаторно-композиційні можливості, легкість та економічність. Усі ці елементи можна застосовувати в будівництві житлових, громадських, промислових будівель, інженерних споруд, великопрогонних перекриттів та пішохідних мостів, збірних сталезалізобетонних каркасів з різним кроком колон.

Їхні переваги перед тими, які існують, досі полягають у таких позитивних властивостях: формування порожнини, заповненої недорогим легким матеріалом, що забезпечує незмінність щільності потенційної енергії деформації, малобюджетність технології формування внутрішньої геометрії за рахунок надання вкладишам з пінополістиролу наперед визначеної розрахункової форми.

У нових синтезованих конструктивних елементах використовують самоущільнювальний бетон без застосування знімної опалубки, спеціальні системи зсувних зв’язків для сталезалізобетонних елементів, які об’єднують ефективну залізобетонну із вкладишами плиту, і металеві перфоровані полегшені оболонки, вироблені за безвідходною технологією. Ці системи орієнтовані на сприйняття високого рівня статичних і динамічних навантажень; розроблення просторових металевих конструкцій покриттів і перекриттів, що виокремлюються малою витратою матеріалів, високим ступенем заводської готовності, укрупненим простим складанням, відсутністю складних вузлових з’єднань (на болтах) тощо. Усі новації мають на меті не лише мінімізувати витрати матеріалів, а й надати виробам архітектурно-конструкційної естетики. До таких конструкцій належать сучасні РАМПА, ІКАР, ДОБОЛ, МОНОФАНТ та ін.

Красиво, надійно й економічно доцільно

Як розповів Володимир Бабаєв, ефективність нових прогресивних конструктивних систем та технологій їх зведення було підтверджено їх реалізацією у проєктуванні та будівництві в Україні й за її межами будівель і споруд, зокрема унікальних. Це знакові будівлі, мости, вежі, покриття, спеціальні споруди та багато іншого. Серед них: реконструкція стадіону «Металіст» у Харкові, нове будівництво промислових об’єктів ЗАТ «Донецьксталь-металургійний завод», ПрАТ «Харківський плитковий завод», вежа антени метеорологічного радіолокатора національного комітету гідрометеорології Туркменістану; реконструкція будівель-пам’яток архітектури загальною площею понад 70 тис. м², зокрема реконструкція нежитлової будівлі під Регіональний центр надання адміністративних послуг, проєкт якої отримав головний приз, звання «Європейська нагорода-2018» на Європейському будівельному конкурсі European Award-2018, спеціальну нагороду Національної спілки архітекторів, приз від Польсько-Української торговельної палати.

Перелік варто продовжити такими позиціями: реконструкція унікальної історичної будівлі в колишньому Селянському будинку земства, спорудженому 1912 року за проєктом харківського архітектора Б.М. Корнієнка, під сучасний Будинок нерухомості; реконструкція та побудова нових інженерних об’єктів загальною площею понад 250 тис. м²; зокрема резервуари для зберігання нафти загальним об’ємом 115 600 м²; житлові комплекси загальною площею понад 50 тис. м², адміністративні будинки загальною площею понад 90 тис. м².

За підсумками реалізації цих та інших будівельних проєктів фахівці стверджують, що нові розробки наукового колективу на базі Харківського національного університету міського господарства імені О.М. Бекетова перевершують закордонні аналоги за техніко-економічними показниками. Про це свідчать і фактичні дані: мінімізація ваги споруд на 20—45%; розподілення ресурсу між власною вагою та корисним навантаженням 40х60%, натомість у традиційних системах — 50х50%; майже не обмежена комбінаторика; економія матеріалів: бетону — на 20—40%, сталі — 10—25%; підвищення показників енергоефективності у 3—4 рази; на 15% заводська готовність; зниження трудомісткості виготовлення та зведення на 25%; економія енергоресурсів до 20%; зниження економічних витрат на 1 м² споруди — на 20%. Сумарний економічний ефект від упровадження прогресивних будівельних конструктивних систем і технологій їх зведення оцінюють у 3,3 мільярда гривень.

«Упровадження нових конструктивних систем та технологій їх зведення відповідає всім стратегічним завданням будівельної галузі України, серед яких підвищення ефективності та надійності будівельних об’єктів, продовження термінів їх експлуатації, реалізація європейських директив та норм», — переконаний голова Національної спілки архітекторів України Володимир Гусаков.

Тож цілком закономірно, що роботу «Прогресивні будівельні конструктивні системи та технології їх зведення» висунуто на здобуття Державної премії України в галузі науки і техніки за 2020 рік.