Содержание к диссертации
Введение
1. Особенности теплотехнических расчетов и производства бетонных и железобетонных работ в зимних условиях 8
1.1. Основные понятия и определения g
1.2. Методы зимнего бетонирования монолитных бетонных и железобетонных конструкций 24
1.3. Особенности зимнего бетонирования стыков сборных железобетонных конструкций 36
1.4. Существующие методы расчета динамики температурного и прочностного полей в бетоне 39
1.5. Особенности зимнего бетонирования монолитных конструкций фундаментов жилых и гражданских зданий 47
1.6. Выводы и задачи исследований 49
2. Зимнее бетонирование фундаментных плит 51
2.1. Прогноз распределения температуры и глубины промерзания грунта на момент вскрытия котлована 51
2.2. Математическое моделирование динамики температурного поля в грунте основания после вскрытия котлована 53
2.3. Предварительное оттаивание и прогрев грунта основания вскрытого котлована перед укладкой бетонной смеси или его синхронный с выдерживанием бетона прогрев 61
2.4. Выбор метода зимнего бетонирования фундаментной плиты для конкретного объекта в г. Новосибирске 65
3. Зимнее бетонирование стыков сборных строительных конструкций 74
3.1. Зимнее бетонирование стыков сборных железобетонных конструкций простой геометрической формы 74
3.2. Зимнее бетонирование стыков сборных железобетонных конструкций сложной геометрической формы 98
4. Испытание экспериментального образца цифрового автоматического регулятора мощности в производственных условиях 111
4.1. Принцип работы ЦАРМ 111
4.2. Постановка эксперимента 112
4.3. Ход эксперимента 117
4.4. Обработка результатов экспериментальных наблюдений 122
Основные выводы 130
Литература 132
- Особенности зимнего бетонирования стыков сборных железобетонных конструкций
- Математическое моделирование динамики температурного поля в грунте основания после вскрытия котлована
- Зимнее бетонирование стыков сборных железобетонных конструкций сложной геометрической формы
- Обработка результатов экспериментальных наблюдений
Введение к работе
В общем случае под зимним периодом года понимается период времени между датой устойчивого перехода среднесуточной температуры воздуха с положительных значений на отрицательные и датой обратного перехода. При этом, в соответствии с [1] и [2], зимним периодом в строительстве считается время наступления устойчивой среднесуточной температуры ниже +5 С и минимальной суточной ниже О С осенью и весной. Производство строительных работ в зимнее время существенно отличается от выполнения этих же работ летом. Поэтому важной и актуальной проблемой является решение задач по обеспечению эффективности строительства в зимний период, сокращению трудозатрат и продолжительности строительных процессов, экономии топливно-энергетических ресурсов, обеспечению безопасности и надежности зданий и сооружений на основе применения новых видов строительных материалов, передовых технологий, а также совершенствования уже существующих.
Одной из важных и не решенных до настоящего времени задач этой проблемы является совершенствование технологии зимнего бетонирования фундаментных плит и стыков строительных конструкций. Во-первых, по причине необходимости более точного учета тепла, аккумулированного в талой части грунтового основания с целью обоснования возможности малоинтенсивного прогрева бетона или даже его беспрогревного выдерживания, а, во-вторых, по причине более точного контроля температурного поля во всех узлах объемной координатной сетки с целью исключения перегрева или недогрева конструкции. При этом выдерживание бетона в зимний период является одним из наиболее продолжительных и энергоемких процессов в технологии бетонных работ.
В современных условиях при реконструкции зданий и сооружений, а также в новом строительстве, возросшая стоимость электроэнергии обусловила необходимость пересмотра, традиционного подхода к обоснованию технологических режимов тепловой обработки бетона при зимнем бетонировании строительных конструкций. Кроме того, температурные ограничения действующей нормативной базы в настоящее время трудно (недопустимость перегрева или недогрева бетона) или даже невозможно (предельно допустимая скорость перестройки температурного поля после включения или выключения нагревателей) проконтролировать в реальных условиях производства зимних бетонных и железобетонных работ.
В то же время исследованиями С.А. Миронова подтверждена чрезвычайная важность гарантированного выполнения всех температурных ограничений действующих нормативных документов по причинам:
при перегреве бетона происходят необратимые изменения капиллярно-пористой структуры цементного камня и как следствие - недобор бетоном 30-40 % прочности;
при температуре бетона ниже минимально допустимой несвязанная влага, не вступившая в реакцию гидратации цемента, замерзает с увеличением ее объема примерно на 9 %, приводя к необратимым изменениям цементного камня;
при превышении предельно допустимой скорости перестройки температурного поля после включения или выключения нагревателей из-за разного значения коэффициента объемного расширения стальной арматуры и цементного камня в бетоне возникают необратимые деструктивные процессы, резко снижающие конечную прочность бетона.
В процессе создания теории и методов зимнего бетонирования активное участие приняли научные школы академика К.С. Завриева, профессоров А.С. Арбеньева, С.А. Миронова, Б.Г. Скрамтаева. Большой вклад в разработку и совершенствование технологии зимнего бетонирования внесли отечественные ученые И.Н. Ахвердов, Ю.М Баженов, В.Я. Гендин, A.M. Гинзбург, А.И. Гны-ря, С.Г. Головнев, Н.Н. Данилов, И.А. Кириенко, Б.А. Крылов, А.Р. Соловьян-чик, В.Д. Топчий и др.
Дальнейший прогресс в технологии зимнего бетонирования не возможен без совершенствования методов расчета технологических параметров и энергозатрат на основе методов теории теплопроводности и оптимизации, математики и вычислительной техники, внедрения в проектное дело систем автоматического проектирования, а также без использования автоматических систем, контролирующих процесс тепловой обработки бетона. Успешное разрешение этой проблемы зависит от проведения обширных научных исследований с целью развития теории и совершенствования технологии бетона, применения на практике специальных методов производства работ при отрицательных температурах, а также разработки более точных методов расчетного обоснования параметров зимнего бетонирования. При этом особая сложность возникает при зимнем бетонировании стыков сборных железобетонных конструкций как простой, так и особенно сложной геометрической форм. В частности, отсутствуют расчетные методы, с помощью которых можно обосновать такую схему укладки
нагревателей и такую их суммарную мощность, которые обеспечивают полный прогрев материала заделки. Кроме того, практикой современного строительства востребовано расчетное основание параметров зимнего бетонирования стыков металлических и железобетонных колонн. Такая задача впервые решена в данной диссертационной работе.
Все задачи, поставленные в данной диссертационной работе, решены методом математического моделирования сложных физических и организационно-технологических процессов с его уникальными возможностями. К таким задачам можно отнести:
адаптацию классической задачи Стефана для условий замерзания-оттаивания связных грунтов (Первое место и диплом I степени Новосибирской областной администрации на Межвузовской НТК «Интеллектуальный потенциал Сибири» по секции «Прикладная математика и программирование»);
расчет мощности нагревателей с учетом дифференцированного прогрева граней строительных конструкций призматической формы в оптимальном температурном диапазоне (Медаль на Всероссийском конкурсе МОиН РФ по направлению «Строительство»);
расчетное обоснование технологии зимнего бетонирования стыков металлических и железобетонных колонн;
научное обоснование и практическая реализация концепции системы автоматического управления тепловой обработкой на базе персонального компьютера, позволяющей исключить «человеческий фактор», гарантированно выполнять все температурные ограничения действующих нормативных документов и довести до 50 % энергосбережение за счет полезного использования тепловой инерции бетона и автоматического учета суточной динамики температуры воздуха, скорости и направления ветра.
Основные результаты диссертационной работы внедрены на объектах ООО «Евросити» (АКТо внедрении результатов исследований Лунева Ю.В. на объектах 000 «Евросити»).
Диссертационная работа оформлена в двух томах. В первом томе изложены материалы основных разделов диссертации («Введение», «Особенности производства бетонных и железобетонных работ в зимних условиях», «Зимнее бетонирование монолитных конструкций фундаментов», «Зимнее бетонирование стыков сборных строительных конструкций», «Испытание экспериментального образца цифрового автоматического регулятора мощности в произ-
водственных условиях», «Основные выводы», «Список литературы»). Во втором томе приведены приложения: «Технологическая карта на бетонирование фундаментных плит в зимних условиях с использованием естественного тепла в грунтовом основании или с применением электропрогрева грунтового основания и бетона нагревательными проводами» (приложение 1), «Технологическая карта на бетонирование стыков железобетонных конструкций при отрицательных температурах окружающего воздуха с применением электрообогрева нагревательными проводами» (приложение 2), «Технологическая карта на омоно-личивание металлических колонн двутаврового сечения при отрицательных температурах окружающего воздуха с применением электрообогрева нагревательными проводами» (приложение 3), «Оценка погрешности при замене линейного источника тепла условно плоским» (приложение 4), «Устройство для автоматического регулирования температурного режима при тепловой обработке монолитных железобетонных конструкций (заявка на регистрацию патента)» (приложение 5), «Акт о внедрении результатов исследований НГАСУ (Сибстрин) на строительных объектах ООО «Евросити» (приложение 6).
Особенности зимнего бетонирования стыков сборных железобетонных конструкций
Прежде всего, четко разграничим понятия: сопряжение (узел примыкания) - место соединения строительных конструкций в монолитных каркасах или в монолитных зданиях в целом, связанных общей арматурой (монолитная колонна с монолитной плитой перекрытия, монолитная плита перекрытия с монолитной стеной и т.д.); стык - место соединения сборных железобетонных конструкций. Согласно [32] стыки подразделяются по следующим признакам: 1) по воспринимаемому усилию: стыки, материал заделки которых воспринимает все усилия, передаваемые одним сборным железобетонным элементом другому; стыки, материал заделки которых не воспринимает все усилия, передаваемые одним сборным железобетонным элементом другому; 2) по наличию закладных деталей: стыки, имеющие металлические закладные детали; стыки, не имеющие закладных деталей; 3) по форме: объемные стыки; линейные стыки. Основные требования к стыкам: 1) стыки должны быть долговечными и иметь прочность, равную прочности стыкуемых железобетонных элементов; 2) металлические закладные детали в стыках следует конструировать таким образом, чтобы при передаче расчетной нагрузки не возникали дополнительные моменты, и не происходило отслаивание бетона; 3) геометрическая точность изготовления стыкуемых элементов при принятых допусках должна обеспечить подвижность их соединения и правильность работы стыка; 4) соединение стыкуемых элементов должно обеспечивать немедленное освобождение монтажного крана, а после заделки стыка - возможность восприятия конструкцией монтажный усилий в возможно короткий срок; 5) места стыковки должны быть удобными для заполнения их бетоном, доступны для осмотра и, если это потребуется, для контроля и устранения дефектов, которые могут возникнуть в стыке в процессе эксплуатации; 6) выбранный способ заделки стыка в зимнее время должен обеспечить быстрое твердение бетона заделки. В соответствии с [39] основные виды стыков сборных железобетонных конструкций приведены в табл. 1.10. К существующим методам зимнего бетонирования стыков сборных железобетонных конструкций относятся: Заделка стыков методом замораживания [39]. При этом замораживание бетона в стыках допускается, если к бетону не предъявляются высокие требования по прочности, т.е. если он служит только для заполнения полости стыка. Однако такой способ заделки стыков является прямым нарушением ограничений действующей нормативной базы [2,11, 13 и др.]. Заделка стыков бетонами с противоморозными добавками [39, 40]. Наряду с подтверждением возможности такого метода заделки стыков установлена его относительно малая эффективность по причинам: выраженной зависимости процесса нарастания прочности бетона в стыках от вида и минералогического состава цемента, что делает обязательным проведение предварительных лабораторных исследований; интенсификацией процесса коррозии металлических закладных деталей и арматуры при введении в бетонную смесь некоторых видов противомороз-ных добавок; необходимости предварительного подробного анализа конструкции стыков в соответствии с их классификацией и условиями работы соединений во время эксплуатации. необходимости предохранять от замерзания бетон заделки при понижении температуры наружного воздуха ниже расчетного значения. Основные виды стыков сборных железобетонных конструкций описаны в [39]. Прогревные методы выдерживания бетона в стыках. К ним относятся: трубчатые и стержневые электронагреватели; нагреватели инфракрасного излучения; греющие (термоактивные) опалубки; индукционный прогрев бетона; электрические нагревательные провода. Положительным качеством трубчатых и стержневых электронагревателей является возможность регулирования их температуры. Однако по данным [39] применяются такие нагреватели редко из-за отсутствия методов их расчета в зависимости от температуры наружного воздуха. Кроме того, после извлечения нагревателей из бетона заделки в нем остаются отверстия, которые необходимо заполнять пластичным раствором. Указанные обстоятельства обусловили весьма небольшую область применения таких нагревателей для заделки стыков с относительно большим объемом бетонируемой полости и с расстоянием между цилиндрами нагревателей не более 200 мм. Преимуществом нагревателей инфракрасного излучения является то обстоятельство, что одновременно с прогревом бетона заделки обогревается бетон стыкуемых сборных элементов. Термоактивные опалубки можно использовать не только для прогрева бетона заделки, но и для предварительного нагревания стыкуемых сборных элементов. Важным преимуществом такого способа прогрева бетона является сохранение заданного его температурно-влажностного режима, а также медленное остывания бетона после выключения нагревателей опалубки. Индукционный метод прогрева бетона заделки, с одной стороны, позволяет обеспечить высокую оперативность сначала обогрева стыкуемых элементов и затем прогрева бетона заделки, но, с другой стороны, этот метод требует дополнительных расчетных обоснований при малейшем изменении геометрии или других параметров стыка. При этом ошибки в расчетах могут привести к перегреву арматуры и разрушению прилегающих к ней слоев бетона заделки. Большие возможности для поточного прогрева бетона стыков открывают Рекомендации [14], позволяющие, во-первых, прогревать одновременно до 15 стыков, во-вторых, осуществлять прогрев в два этапа: 1) предварительный разогрев арматуры и бетона стыкуемых сборных элементов с помощью гибких термоактивных опалубок с вмонтированными в них электрическими нагревательными проводами; 2) прогрев непосредственно бетона заделки с помощью нагревательных проводов и с продолжением обогрева стыкуемых элементов термоактивной опалубкой. Расчетное обоснование такого метода прогрева бетона заделки и указания по производству работ приведены в соответствующих разделах монографии.
На основании выше изложенного вполне очевидно, что выбор метода зимнего бетонирования и расчетное обоснование параметров выбранного метода должны базироваться на совместном решении двух задач: задачи строительной теплофизики с расчетным прогнозом динамики перестройки температурного поля в бетоне из условия выполнения всех температурных ограничений нормативных документов и задачи прогноза формирования прочностного поля с фиксированием момента набора бетоном критической и проектной прочности. Очевидным также является и то обстоятельство, что точность решения второй задачи во многом определяется точностью прогнозирования средневзвешенной по объему конструкции температуры бетона. Можно заметить также, что контроль нормативных ограничений по скорости перестройки температурного поля после включения или выключения нагревателей можно считать эффективным только в том случае, когда этот контроль возможен во всех узлах объемной координатной сетки, в том числе в узлах примыкания бетона к нагревателям.
Учитывая вторичный характер математической модели динамики прочностного поля, рассмотрим возможные схемы решения теплофизической задачи прогноза динамики температурного поля.
Математическое моделирование динамики температурного поля в грунте основания после вскрытия котлована
Вполне очевидно, что зимнее бетонирование монолитных конструкций фундаментов жилых и гражданских зданий должно проводиться при максимальном полезном использовании тепловой энергии (теплоты), накопленной в талой части подстилающего грунтового массива, для чего необходимо: проводить земляные работы (например, вскрывать котлован перед бетонированием фундаментных плит или бурить скважины перед бетонированием буронабивных свай) по-возможности перед началом зимних бетонных или железобетонных работ, а если это по каким-либо причинам невозможно, то утеплить дно котлована или устья скважин; расчетным путем проверить возможность бетонирования конструкций методом термоса с периферийным утеплением или периферийным обогревом боковых граней (фундаментные плиты) или малоинтенсивным прогревом бетона непосредственно в конструкции (буронабивные сваи); то же, с предварительным оттаиванием мерзлого слоя грунта основания и его прогревом греющим электрическим кабелем, уложенным под песчаную подсыпку; в случае необходимости проводить интенсивный прогрев бетона (односторонний снизу или двухсторонний снизу и сверху прогрев бетона фундаментных плит, более интенсивный прогрев бетона участков буронабивных свай, расположенных в слое сезонномерзлого грунта и менее интенсивный участков, расположенных в талой части грунтового массива). При этом практикой производства зимних бетонных и железобетонных работ при бетонировании монолитных конструкций фундаментов доказано [8, 13 и др.], что наиболее эффективным прогревным методом в этом случае является метод, основанный на применении электрических нагревательных проводов. Высокий тепловой КПД этого метода и, как следствие, его высокие технико-экономические показатели объясняются передачей тепла от проводов в бетон контактным путем, т.е. в этом случае провода с металлической токонесущей жилой, подключаемые в электрическую сеть, работают как нагреватели сопротивления. Прогрев бетона монолитных конструкций рассматриваемого типа может быть совмещен с другими способами интенсификации процесса твердения: предварительным разогревом бетонной смеси, использованием высокомарочных и быстротвердеющих бетонов, химических добавок-ускорителей или противоморозных добавок. По данным С.А. Миронова [8] метод использования теплоты грунта при возведении фундаментов и подземных сооружений в зимних условиях впервые предложен и реализован в 1936 г. инженером Б.А. Бодянским. Однако широкое применение этого высокоэффективного способа производства зимних бетонных и железобетонных работ в строительстве затруднено из-за сложности решения пакета задач строительной теплофизики, связанных: с прогнозом температурного режима грунтового массива на момент вскрытия котлована или проведения буровых работ, в том числе с учетом динамики снегового покрова (толщины и коэффициента теплопроводности снега) при его наличии; с расчетным подтверждением достаточности или недостаточности тепла в фунтовом массиве для организации зимнего бетонирования с беспро-гревным выдерживанием бетона; с предварительным разогревом грунта основания (фундаментные плиты) электрическими нагревательными проводами, уложенными под песчаную подсыпку при недостаточности запасов естественного тепла; с прогревом грунтового основания в процессе выдерживания бетона; с установлением условий, при которых зимнее бетонирование возможно только при применении прогревных методов. Решение всех перечисленных задач с использованием математического моделирования сложных физических процессов и современных методов вычислительной математики, а также с адаптацией классической задачи Стефана для замерзающих (оттаивающих) связных грунтов изложено в соответствующей главе (гл. 2). 1. В современных условиях, при реконструкции зданий и сооружений, а также в новом строительстве, возросшая стоимость электроэнергии обусловила необходимость пересмотра традиционного подхода к обоснованию технологических режимов тепловой обработки бетона при зимнем бетонировании строительных конструкций. Кроме того, температурные ограничения действующих нормативных документов в настоящее время трудно (недопустимость перегрева или недогрева бетона) или практически невозможно (превышение предельно допустимой скорости перестройки температурного ПОЛЯ после включения или выключения нагревателей) проконтролировать во всех узлах объемной координатной сетки в реальных условиях производства зимних бетонных и железобетонных работ. Поэтому актуальной в настоящее время является задача разработки концептуально нового подхода как к расчетному подтверждению правильности выбранного метода зимнего бетонирования, так и к расчетному обоснованию параметров выбранного метода с учетом интенсивности теплообмена бетонируемой конструкции в местах примыканий. Такая задача может быть решена только с использованием уникальных возможностей метода математического моделирования сложных физических и организационно-технологических процессов.
Для обоснованного выбора метода зимнего бетонирования конструктивных элементов фундаментов призматической формы, в том числе фундаментных плит, с полезным использованием тепла, аккумулированного в талой части грунтового массива, необходимо разработать достаточно достоверные методы прогноза: а) распределения температуры в грунте и глубины его промерзания на момент вскрытия котлована, в том числе (при необходимости) с учетом ди намики естественного снегового покрова (дсн(г) и Дсн(т)); вполне очевидно, что в этом случае достаточно решить одномерную задачу; б) динамики температурного поля и глубины промерзания основания вскрытого котлована к моменту начала бетонирования; как будет показано ниже, в этом случае необходимо поставить и решить трехмерную задачу; в) динамики температурного поля в процессе предварительного оттаи вания и прогрева грунтового основания котлована с прокладкой электриче ских нагревательных проводов под слоем песчаной подсыпки; г) то же, в процессе синхронного (с бетоном) малоинтенсивного про грева грунтового основания после укладки бетонной смеси. 3. Особую сложность в настоящее время представляют задачи, связан ные с расчетным обоснованием метода зимнего бетонирования стыков сбор ных строительных конструкций как простой геометрической формы (стыки сборных железобетонных конструкций), так и сложной геометрической фор мы (стыки металлических и железобетонных колонн). Поэтому весьма акту альным является решение указанных задач с разработкой средств автомати зации расчетного обоснования: метода зимнего бетонирования стыков простой и сложной геометрической формы; тепловой мощности и места установки нагревателей, обеспечивающих необходимую прочность бетона при выполнении всех температурных ограничений СНиП 3.03.01-87. 4. Учитывая, с одной стороны, важность гарантированного соблюдения температурных ограничений действующей нормативной базы, но, с другой стороны, сложность практической реализации этой задачи, а также принимая во внимание необходимость в современных условиях максимального энер госбережения за счет внедрения энергосберегающих режимов тепловой об работки бетона с учетом суточной динамики температуры воздуха, скорости и направления ветра, а также исключения «человеческого фактора», актуаль ной является задача научного обоснования и практической реализации кон цепции системы автоматического управления тепловой обработки бетона на базе персонального компьютера с использованием современных информаци онных технологий.
Зимнее бетонирование стыков сборных железобетонных конструкций сложной геометрической формы
Общие затраты на момент окончания тепловой обработки составили 62 кВт-ч. Экономия электроэнергии составила 36 % по сравнению с изотермическим выдерживанием бетона при гарантированном соблюдении требований СНиП [2].
Температурные поля на момент окончания тепловой обработки 2-ого блока показаны на рис. Горизонта!ьный (а, 1/4 блока) и вертикальный разрезы (б, /г блока) Данный эксперимент показывает высокую достоверность метода математического моделирования сложных физических и организационно-технологических процессов (погрешность менее 30 %). Кроме того, доказано большое преимущество управляемых режимов тепловой обработки бетона по сравнению с изотермическим выдерживанием (энергосбережение до 50 %). При этом, впервые в мировой практике достигнут контроль ограничений СНиП [2] не только по максимальной и минимальной температуре бетона в любой точке объемной координатной сетки, но и по скорости перестройки температурного поля в массиве конструкции.
В современных условиях при реконструкции зданий и сооружений, а также в новом строительстве, возросшая стоимость электроэнергии и ограниченные энергетические ресурсы обусловили необходимость пересмотра традиционного подхода к обоснованию технологических режимов тепловой обработки бетона при зимнем бетонировании строительных конструкций. Кроме того, температурные ограничения действующих нормативных документов трудно (недопустимость перегрева или недогрева бетона) или практически невозможно (превышение предельно допустимой скорости перестройки температурного поля после включения или выключения нагревателей) проконтролировать во всех узлах объемной координатной сетки в реальных условиях производства зимних бетонных и железобетонных работ. Поэтому актуальной в настоящее время является задача разработки концептуального нового подхода как к расчетному подтверждению правильности выбранного метода зимнего бетонирования, так и к расчетному обоснованию параметров выбранного метода с учетом интенсивности теплообмена бетонируемой конструкции в местах примыканий. Такая задача может быть решена только с использованием уникальных возможностей метода математического моделирования сложных физических и организационно-технологических процессов.
Разработан метод прогноза глубины промерзания и динамики температурного поля в связных и несвязных грунтах с учетом объемно-распределенного источника (стока) тепла при замерзании (оттаивании) как несвязанной (численной реализации классической задачи Стефана), так и связанной влаги (включением в дифференциальное уравнение теплопроводности объемно-распределенного источника (стока) тепла, «включаемого» в температурном диапазоне от 0 до -5 С). Таким решением классическая задача Стефана впервые адаптирована для связных грунтов. Разработанный метод реализован на алгоритмическом языке высокого уровня Object Pascal в среде Delphi 7.0.
Разработано расчетное обоснование выбора метода зимнего бетонирования фундаментных плит с максимальным использованием тепла, аккумулированного в талой части грунтового основания, путем последовательного рассмотрения вариантов: беспрогревное выдерживание бетона на непрогретом грунтовом основании — беспрогревное выдерживание бетона на прогретом грунтовом основании — прогрев бетона фундаментной плиты сверху и снизу (на уровнях арматурных сеток) при непрогретом грунтовом основании — то же, при синхронном (с бетоном) малоинтенсивном прогреве грунта основания греющим электрическим кабелем через песчаную подсыпку.
Разработано расчетное обоснование выбора метода зимнего бетонирования стыков сборных строительных конструкций простой и сложной геометрической форм. Трехмерные математические модели динамики температурного и прочностного полей в материале заделки стыков аппроксимированы по неявной разностной схеме дробных шагов (стыки простой формы) и методом конечных элементов в среде CosmosWorks (стыки сложной формы). Разработанный метод позволяет обоснованно определять суммарную тепловую мощность нагревателей и целесообразное место их монтажа, а также обеспечивать выполнение всех температурных ограничений действующих нормативных документов. С использованием разработанного метода впервые в строительной практике было осуществлено зимнее бетонирование стыков металлических и железобетонных колонн.
Научно обоснована и практически реализована концепция системы автоматического управления тепловой обработкой бетона на базе персонального компьютера, позволяющая исключить «человеческий» фактор, гарантированно выполнить все температурные ограничения действующих нормативных документов и довести энергосбережение до 50 % за счет учета суточной динамики температуры воздуха, скорости и направления ветра. Производственные испытания системы на объекте ООО «Евросити» подтвердили высокую достоверность разработанного программного обеспечения и высокую надежность устройства, в том числе в части выполнения температурных ограничений.
Обработка результатов экспериментальных наблюдений
Технологическая карта разработана в соответствии со СНиП 52-01-2003 (Бетонные и железобетонные конструкции), СНиП 3.03.01-87 (Несущие и ограждающие конструкции), СНиП 12-01-2004 (Организация строительного производства), СНиП 12-03-2001 (Безопасность труда в строительстве. Часть 1. Общие требования), СНиП 12-04-2002 (Безопасность труда в строительстве. Часть 2. Строительное производство), а также с Рекомендациями [Рекомендации по электрообогреву монолитного бетона и железобетона нагревательными проводами,- М.: Госстрой СССР, 1989.- 68 с] и официальным изданием [Ивянский Г.Б. Заделка стыков сборных железобетонных конструкций/ Г.Б. Ивянский, В.Б. Белевич, А.Ю. Зонтов и др.- М.: Стройиздат, 1966,-304 с].
Высокий тепловой КПД электрообогрева нагревательными проводами объясняется передачей тепла проводами в бетон контактным путем. При этом провода с металлической токонесущей жилой, подключаемые в электрическую сеть, работают как нагреватели. Сами нагревательные провода закладываются непосредственно в массив уложенного бетона.
Обогрев стыков железобетонных конструкций нагревательными проводами может быть совмещен с другими способами интенсификации процесса твердения бетона: предварительным электроразогревом бетонной смеси в бункерах, оборудованных электродами, использованием высокомарочных и быстротвердеющих бетонов, использованием химических добавок - ускорителей или противоморозных добавок . Возможно также совмещение обогрева бетона нагревательными проводами с термоактивными гибкими покрытиями (ТАГП), особенно в период освоения бригадой метода тепловой обработки нагревательными проводами.
Основные разделы технологической карты: обоснование технологии зимнего бетонирования стыков железобетонных конструкций на основании анализа данных моделирования динамики температурного поля в стыках с помощью программных продуктов НГАСУ (Сибстрин); указания по подготовке стыков к бетонированию и требования к готовности предшествующих работ и стыкуемых элементов; указания по организации рабочей зоны на время производства работ; методы и последовательность производства работ, описание процесса раскладки и подключения нагревательных проводов; расчет длины проволочных нагревателей; профессиональный и численно-квалификационный состав рабочих; указания по контролю качества и приемке работ; указания по технике безопасности; потребность в материально-технических ресурсах, электротехническом оборудовании и эксплуатационных материалах; технико-экономические показатели. 1.5. Для обогрева монолитного бетона и железобетона следует применять нагревательный провод марки ПНСВ со стальной жилой диаметром 1,2 мм, покрытой слоем изоляции (поливинилхлоридный пластификат толщиной не менее 0.8 мм). Для этих же целей могут быть использованы аналогичные по конструкции трансляционные провода марок ПОСХВ, ПОСХВП и др., применяемые при строительстве животноводческих комплексов, с изоляцией из поливинилхлоридного пластификата марок ИТ-105, И40-13 и И40-13А. 1.6. Для внешнего обогрева стыков рекомендуется применять нагревательные провода (кабели) повышенного качества с более теплостойкой изоляцией марок ПНСФЭн, ГШНКЭн и др. 1.7. Технические характеристики нагревательных проводов приведены в табл. 3 приложения 1. 1.8. Транспортирование и складирование сборных железобетонных элементов подчиняются требованиям предотвращения их повреждения и обледенения, а также возможности быстрого (без дополнительных операций) монтажа этих элементов. 1.9. Для предотвращения повреждения сборных деталей при их транспортировании необходимо применять мягкие подкладки (например, деревянные) и раскрепление деталей. 1.10. Стыкуемые поверхности предохраняют от дождя и снега, так как монтаж элементов с не очищенными ото льда и снега поверхностями полностью исключает возможность получения надежного соединения между собой. 1.11. Если по каким-либо причинам нельзя вести монтаж с транспортных средств, серьезное внимание должно быть уделено устройству приобъектных складов. 1.12. Бетонная смесь для заделки стыков может поступать как в виде товарной бетонной смеси с бетонного завода, так и приготовленной непосредственно на строительной площадке. Преимущество первого варианта -более низкая (в 4-6 раз) трудоемкость по сравнению с приготовлением бетонной смеси на приобъектных бетоносмесительных установках, а также более легкая организация процесса подогрева компонентов бетонной смеси. Положительная особенность второго варианта - возможность использования добавок, ускоряющих процесс твердения бетона. 1.13. Бетоны, подвергающиеся тепловой обработке в полости стыков железобетонных конструкций, следует приготовлять на портландцементах марок 400-500 при температуре выдерживания 50-60 С. Допускается использование шлакопортландцементов таких же марок, но с повышением температуры выдерживания до 70-80 С. 1.14. Стыки сборных железобетонных конструкций (элементов) по степени насыщенности арматурой и закладными деталями подразделяются на следующие группы: густоармированные (стыки колонн, перекрытий в безригельных каркасных зданиях и др.); слабоармированные (ригеля с колонной, стыки стеновых панелей); неармированные (стыки колонн с фундаментами стаканного типа).
