CC BY
150
№ 11 - 12 листопад - грудень 2011
качественный газобетон уникальным решением для строительства. Нужно отметить, что, несмотря на появление в Украине новых современных заводов по производству автоклавного газобетона и несомненного преимущества последнего как стенового материала мы только присматриваемся к этому экономически выгодному материалу. Тем временем практичная и рациональная «заграница» уже давно успешно присмотрелась к нему и активно внедряет его в строительстве. Экономия и экологическая чистота - определяющие факторы при выборе стройматериала за рубежом.
ИСПОЛЬЗОВАННАЯ ЛИТЕРАТУРА
1. Большаков В. И. Увеличение объемов производства и использования автоклавного газобетона - стратегический курс Украины в строительстве / В. И. Большаков, В. А. Мартыненко // Теория и практика производства и применения ячеистого бетона в строительстве. Сб. науч. трудов. Вып. 2. - Днепропетровск: ПГАСА, 2005. - С. 13 - 27.
2. Детлеф В. Энергоэффективное строительство - это мировая тенденция / Детлеф Вернеке // Строительные материалы, оборудование, технологии XXI века, 2008. - № 10. - С. 40 - 41.
3. Паплавскис Я. Энергосбережение при проектировании и строительстве малоэтажных домов / Я. Паплавскис, А. Фрош // Строительство, материаловедение, машиностроение: серия Теория и практика производства и применения ячеистого бетона в строительстве: Сб. науч. Трудов. Вып. 4. - Днепропетровск: ПГАСА, 2009. - С. 81 - 88.
4. Солдаткин С. Каталог проектов / С. Солдаткин / Каталог проектов, 2010. - № 2. - С. 15 - 19.
5. Франивский А. Дом из ячеистого бетона / А. Франивский, Т. Рунова // Будмайстер, 2002. - № 6. - C. 22 - 25.
УДК 624.01
БЕЗОПАСНОСТЬ И НАДЕЖНОСТЬ ЭКСПЛУАТАЦИИ СОВРЕМЕННЫХ
ЗДАНИЙ
В. В. Савйовский*, д. т. н., проф.
*Харьковский государственный технический университет строительства
и архитектуры
Ключевые слова: безопасность эксплуатации зданий
Введение. Уровень цивилизации на современном этапе включает высокое техногенное влияние на среду обитания человека. Это требует обеспечения безопасности человека в этой среде. В промышленности медленно повышаются требования к безопасности и надежности различных производств, активизируются вопросы защиты экологии. Для этого на предприятиях устанавливаются различные системы безопасности, совершенствуются средства контроля или защиты, ограничивающие или исключающие вредные воздействия, выбросы и пр. Для обеспечения сохранности живой природы создаются заповедники, предпринимаются международные ограничения на использование ресурсов живой природы. Касательно обеспечения безопасности человека в его среде обитания делается не многое. Главное в том, что сегодня человек не может чувствовать себя в безопасности в жилом, общественном или промышленном здании в случае каких-либо катаклизмов. Устоявшееся понятие «мой дом - моя крепость» сегодня практически не дает человеку спокойствия и безопасности. Древний человек и живые существа в природе в случае опасности стремятся и находят убежище и безопасность в своем жилище. Современный же человек этого себе позволить, к сожалению не может.
Анализ публикаций. Вопросы надежности строительных конструкций рассматриваются в основном при формировании проектных решений, особенностей расчетов строительных конструкций и требований по обеспечению качества выполняемых работ [1]. Однако важность рассматриваемого вопроса проявляется при анализе причин и повреждений строительных конструкций, а также при анализе аварий на строительных объектах [2; 3; 4]. Вопросы комплексного обеспечения надежности и безопасности зданий рассмотрены не достаточно глубоко.
50
Вісник ПДАБА
Цель статьи. Анализ состояния вопроса и разработка конкретных решений и рекомендаций, направленных на обеспечение надежности и безопасности эксплуатации зданий.
Материалы и методы. Сегодня острое назрело требование к современным зданиям и сооружениям, заключающееся в том, что в условиях влияния на них чрезвычайных, разрушительных воздействий, они (здания) должны защищать людей, а не становиться для них травмирующим фактором и угрозой для здоровья и жизни. Эту озабоченность подтверждают события последних лет, широко освещаемые средствами массовой информации. К числу печальных событий относятся разрушения зданий от воздействия стихийных и климатических природных воздействий, результатов техногенной деятельности человека, террористических актов и прочее. Инженерные системы и коммуникации контроля и безопасности, которыми оснащаются здания и сооружения, безусловно постоянно совершенствуются. Это различные контрольно-измерительные и аналитические устройства, предотвращающие, к примеру, возможность поражения людей электрическим током, предотвращение отравлений газами, иными вредными средами или воздействиями. Однако основные строительные конструкции и материалы, из которых возводятся несущие и ограждающие строительные конструкции зданий и сооружений, а также основные технологические принципы укладки этих материалов и конструкций при строительстве меняются очень медленно. На протяжении последних ста лет основными несущими строительными конструкциями остаются каменные природные и искусственные материалы, металлы и частично дерево. Касательно технологической схемы(последовательности) строительства сложилась вековая практика, при которой опирание и крепление основных строительных конструкций осуществляется «снизу вверх». При этом вышележащие конструкции опираются на нижележащие и соответственно передают на них нагрузки. В данном случае многоэтажные, многоярусные конструкции передают нагрузки на ниже лежащие ярусы, как на свои фундаменты.
Таким образом, получается, что каждый ярус, этаж является фундаментом последующего. Это значит, что в случае повреждения одного яруса, как правило, теряют свою устойчивость все вышележащие конструкции. Можно ли построить здание, в котором даже при повреждении участка одного из ярусов или звеньев остальные участки остались бы надежными и безопасными для дальнейшей эксплуатации? Да, это возможно. На представленном ниже примере показан один из путей решения проблемы надежности и безопасности зданий. Прикладной пример основан на совершенствовании применения одного из типов несущих строительных конструкций. В данном случае рассматривается использование одного из наиболее ответственных строительных конструкций - балок. Представленная комбинированная металлобетонная балочная конструкция объединяет в себе свойства как металлических, так и железобетонных балок. Данные конструкции отличаются от существующих аналогов тем, что в одной конструкции используются экономичные металлические элементы армирования с высокими показателями момента инерции, устроенные в защитном слое из легкого бетона.
Балочные конструкции большинства современных зданий и сооружений в практике строительства, ремонта и реконструкции зданий выполнены чаще всего из железобетона или металла. Широчайшее применение этих материалов предопределено их свойствами.Однакоприменениеуказанныхконструкцийчастоограничиваетсяспецифическимиусл овиямивыполнения строительно-монтажных и ремонтных работ, а также последующими условиями эксплуатации объекта или его отдельных конструкций. Особенно ярко выражаются данные особенности в условиях реконструкции зданий, доминирующей сегодня в строительном комплексе страны, а также и в цивилизованном мире. Применение сборных железобетонных конструкций требует использования грузоподъемных механизмов, обеспечения устройства монтажных проемов для установки конструкций. Кроме того, эти конструкции имеют существенную массу. Качественное стыкование конструкций практически не возможно.
Способ применения металлических конструкций позволяет укладывать их с по элементным стыкованием. Металлические конструкции легки и эффективно работают на знакопеременные нагрузки. Такие конструкции технологичны, к ним можно стыковать различные конструкции, оборудование и прочее. Однако данные конструкции не устойчивы к воздействию высоких температур, то есть не безопасны в плане пожаростойкости, что требует принятия дополнительных мер по их защите.
Результаты исследования. Автором данной статьи была предложена и запатентована комбинированная балочная металлобетонная конструкция, достаточно простая в изготовлении.
51
№ 11 - 12 листопад - грудень 2011
Принципиальным в данной конструкции является то, что в качестве арматуры используются металлические пластинчатые элементы составного сечения в виде «бимсового железа», которое затворяется легким бетоном с ускорителями твердения. При изготовлении балочных металлобетонных конструкций арматура в виде вертикально установленных пластин устанавливается в опалубку и укладывается бетонная смесь. После затвердения бетона, которое происходит в течении 12 часов в условиях температуры + 180С, конструкция готова.
Вертикальные пластины арматуры обеспечивают существенный момент инерции, относительно оси абсцисс. Относительно оси ординат жесткость конструкции (достаточно высокий момент инерции) обеспечивается за счет совместной работы звена пластин и жесткой структуры бетона. Возможен вариант устройства армирующих элементов и во взаимно перпендикулярных плоскостях. Для обеспечения совместной работы металла и бетона в пластинах выполнены отверстия. На рисунке показана конструктивная схема одного из вариантов устройства металлобетонной балочной конструкции. Таким образом, в данной конструкции совмещены свойства металлических и железобетонных балок. Металл воспринимает на себя нагрузки от изгибаемых воздействий, а бетон работает на сжатие, одновременно являясь защитным покрытием металла от действия коррозии и высоких температур при пожаре. Данная конструкция имеет высокие теплоизоляционные свойства, легкая и экономная.
Расчетно-аналитические исследования технологической и экономической эффективности использования металлобетонной балочной конструкции, проведены на основе сравнительного анализа известных металлических, железобетонных и металлобалочных конструкций. В качестве примера взяты аналоги из практики реконструкции и принята балка перекрытия пролетом 6000,0 мм, воспринимающая полную равномерно-распределенную нагрузку, составляющую 800,0 кгс/м2 [5]. В результате расчетов были определены значения максимального изгибающего момента. На основании полученных значений усилий в конструкциях были определены сечения, профили и армирование рассматриваемой номенклатуры конструкций, то есть выполнено их конструирование. По данным подобранных конструкций балок, выполненных из металла, железобетона и металлобетона, проведен анализ особенностей их изготовления и применения. Результаты полученных данных представлены в таблице.
Рис. Конструктивная схема комбинированной металлобетонной балочной конструкции: а - поперечное сечение конструкции; б - фрагмент продольного сечения конструкции.
1 -плоская металлическая пластина; 2 - дополнительный металлический профиль;
3 -легкий бетон; 4 - отверстие в пластине
Как свидетельствуют данные таблицы, наиболее выгодное сочетание показателей оценки эффективности относится к комбинированной металлобетонной балочной конструкции.
Важнейшим свойством технологичности балочных конструкций являются варианты их опирания, а также временного и постоянного крепления. Опирание и крепление металлобетонной балочной конструкции может осуществляться аналогично металлическим конструкциям путем сварки к металлическим элементам, замоноличивания опорных участков или устройства болтовых соединений. В условиях строительства и реконструкции существующих зданий и сооружений очень важным является крепление на болтовых соединениях, исключающее использование сварки. Это предопределяет возможность обеспечивать сборность возводимых зданий по принципу трансформера. В перспективе это может дать возможность строить безопасные здания, которые под действием разрушительной
52
Вісник ПДАБА
силы стихии или иных воздействий могли бы разрушаться частично, без полного обрушения отдельных участков или здания вообще.
Таблица
Сравнительный анализ применения различных балочных конструкций
№ Вариант балочной •"^•-•конструкции Показатели оценки применениям-^ Металлическая конструкция Железобетонная конструкция Металлобетонная конструкция
1 Габаритные размеры Двутавровая балка из прокатного профиля № 22 Балка сечением 250 х 350 (h) х 6400 мм Балка сечением 200 х 300(h) х 6400 мм
2 Масса конструкции 144,0 1300,0 120,0
3 Способ изготовления Заводской Заводской или на строительной площадке Заводской или на строительной площадке
4 Способ установки Вручную, монтаж Монтаж Вручную, монтаж
5 Мероприятия теплозащиты Требуются Не требуются Не требуются
6 Мероприятия антикоррозионной защиты Требуются Не требуются Не требуются
7 Время эксплуатации после изготовления Без ограничений Через 28 суток Через 1 сутки
8 Стоимость конструкции, грн. (Данные на 04.2009 г.) 450,0 600,0 450,0
Масса конструкций и условия крепления с использованием данных конструкций в случае повреждений не приводила к обрушениям из-за подбоя.
На основании предложенного варианта комбинированных металлобетонных балочных конструкций предложен целый ряд иных конструкций, в основе которых лежит указанный принцип. Возможно, предложенные конструкции станут частью нового подхода к строительству зданий, безопасных для человека, зданий убежищ, отличающихся не только комфортом, но и обеспечением безопасности на случай катаклизмов.
Выводы. Указанный практический пример позволяет сформулировать отдельные направления и задачи строительного комплекса в области обеспечения безопасности зданий. К числу этих задач относятся:
- применение легких индустриальных комбинированных (в плане свойств прочности и безопасности) строительных материалов и конструкций. Материал указанных конструкций должен исключать их возможное хрупкое разрушение;
- опирание и крепление несущих и ограждающих строительных конструкций и материалов должены базироваться на основе устройства шарнирных(пластичных, подвижных) соединений, исключающих хрупкое разрушение соединительных, связевых элементов;
- дублирование устройства элементов опирания строительных конструкций по принципу как снизу вверх, так и в стороны.
Указанные направления обеспечения безопасности зданий можно охарактеризовать кратко как строительство зданий по принципу возведения зданий и сооружений мобильного типа. К примеру, человек себя комфортно чувствует в каюте, поезде или самолете, которые испытывают существенные динамические нагрузки различного характера.
Работы по обозначенному выше направлению широко ведутся в Харьковском государственном техническом университете строительства и архитектуры. Наряду с необходимостью решения таких насущных проблем строительства как энергосбережение,
53
№ 11 - 12 листопад - грудень 2011
модернизация зданий массовых застроек по типовым сериям и других, данная тематика не отодвигается на второй план. Решение данной проблемы требует проведения широкого комплекса теоретических и лабораторных исследований, для чего необходимо объединять усилия ученых и специалистов различных отраслей науки и практики.
ИСПОЛЬЗОВАННАЯ ЛИТЕРАТУРА
1. Шутенко Л. Н. Технологические основы формирования и оптимизации жизненного цикла городского жилого фонда (теория, практика, перспективы) / Л. Н. Шутенко. - Харьков: Майдан, 2002. - 1054 с.
2. Тян Р. Б. Подовження життєвого циклу цивільних будинків підсиленням з надбудовою та термореабілітацією / Р. Б. Тян, В. Т. Шаленний, І. Ф. Огданський, Р. Б. Папірник // Будівельні конструкції. Вип. 54. - К. :, 2001. - С. 697 - 884.
3. Шкинев А. Н. Аварии на строительных объектах, их причины и способы предупреждения / А. Н. Шкинев. - М. : Стройиздат, 1976. - 375 с.
4. Физдель И. А. Дефекты в конструкциях, сооружениях и методы их устранения / И. А. Физдель. - М. : Стройиздат, 1987. - 336 с.
5. Савйовский В. В. Техническая диагностика строительных конструкций зданий / В. В. Савйовский. - Харьков: Изд-во «ФОРТ», 2008 г. - 552 с.
УДК 004.942:519.87:641.523
МАТЕМАТИЧНЕ МОДЕЛЮВАННЯ ПРОЦЕСУ ТЕПЛОВОЛОГОЇ ОБРОБКИ НІЗДРЮВАТО-БЕТОННИХ ВИРОБІВ В АВТОКЛАВІ
Л. І. Чумак, к. т. н., доц., І. О. Бацун, маг.
Ключові слова: математичне моделювання, тепловолога обробка, температура, регулювання, автоклав
Постановка проблеми. Стадія тепловологої обробки в технологічному процесі виробництва ніздрюватобетонних виробів є однією з найважливіших, тому що саме тоді відбувається процес наростання міцності готової продукції. Для того щоб отримати вироби необхідної міцності, потрібно чітко дотримуватись режиму тепловологої обробки. Для організації процесу тепловологої обробки в автоклаві, а також його автоматизації необхідний кваліфікований підхід. Оскільки, процес тепловологої обробки найбільш довготривалий, він визначає не тільки якість виробів, а й економічну ефективність усього виробництва.
Аналіз публікації. У зв’язку з вищенаведеним слід провести дослідження математичної моделі процесу тепловологої обробки ніздрюватобетонних виробів із використанням сучасних інформаційних технологій, а саме програми МАТЬАБі пакета моделювання динамічних систем Simulink.
Мета. Розробити математичну модель процесу тепловологої обробки ніздрюватобетонних виробів, яка б забезпечила його регулювання, для того щоб підвищити якість готової продукції.
Виклад основного матеріалу. Тепловолога обробка є одним з основних етапів у виготовленні виробів із ніздрюватого бетону. В умовах сучасної економіки автоматизація системи тепловологої обробки ніздрюватобетонних виробів є одним із головних напрямів виробництва.
Під час термообробки ніздрюватобетонних виробів під тиском температура середовища в автоклаві має змінюватись за жорсткою програмою відповідноз технологією виробництва. Температура регулюється впуском та випуском насиченої пари. Сам процес тепловологої обробки проходить в декілька етапів: підйом температури від 30 до 100°С,
підвищеннятемператури від 100 до 183°С, ізотермічний прогрів за 183°С, етап зниження тиску, охолодження. Тривалість процесу тепловологої обробки залежить від особливостей режимів обробки в автоклаві.
Складання рівнянь, які зв’язують статичні та динамічні процеси, що проходять у матеріалі під час тепловологої обробки, потребують виконання основних фізичних законів. У даному випадку таким є рівняння, що описує динаміку автоклаву та виводиться з умов матеріального балансу:
54
