CC BY
24
МОДЕЛИРОВАНИЕ ПРОГРЕВА ПЛИТЫ ПЕРЕКРЫТИЯ НАГРЕВАТЕЛЬНЫМИ ПРОВОДАМИ В РАЙОНАХ КРАЙНЕГО СЕВЕРА В ПРОГРАММНОМ
ОБЕСПЕЧЕНИИ ELCUT
Остаркова О.А.1, Онисковец Р.В.2 ®
1 2
, Магистрант, кафедра Строительство уникальных зданий и сооружений, Санкт-Петербургский политехнический университет Петра Великого
Аннотация
Одной из особенностей строительства в районах с длительными низкими температурами заключается в подборе эффективного метода зимнего бетонирования для достижения требуемой прочности бетона. Применение метода, основанного на искусственном прогреве бетона, в частности электропрогрев греющими проводами, решает проблему, но добавляется ряд требований.
Актуальность статьи заключается в определении универсальной методики расчета и подбора требуемой мощности греющих проводов, применительной к монолитному домостроению в районах Крайнего Севера, где низкие отрицательные температуры держатся до 6 месяцев.
В программе ELCUT с WinConcret произведено моделирование прогрева монолитного перекрытия, опирающегося на железобетонную колонну. Выполнен расчет набора прочности бетона и анализ температурных полей в сечении перекрытия.
Ключевые слова: монолитное строительство; зимнее бетонирование; отрицательные температуры; нагревательные провода; моделирование прогрева; прочность бетона; программное обеспечение; ELCUT; Winconcret; МКЭ.
Keywords: winter concreting; production of concrete work; concrete; ELCUT; Winconcret;
Введение
Особенность монолитного домостроения в условиях длительных отрицательных температур в районах Севера заключается в подборе эффективного метода зимнего бетонирования [1,27; 2,529] . Существует целая классификация методов и использование только одного из них не позволяет достичь условий для требуемого значения прочности бетона. Применение комплексного метода зимнего бетонирования позволяет решить эту проблему [3,457]. В данной задаче комплексный метод заключается в применении противоморозных добавок в дополнении к нагревательным элементам [4,34].
Зимнее бетонирование - перечень работ, выполняемый при температуре окружающей среды ниже 5°C и минимальной суточной ниже 0°C [5]. Основной процесс при твердении и набора прочности бетона является гидратация, в результате которой выделяется определенное количество тепла [6,30; 7,84].
Долговечность зданий в условиях отрицательных температур находится в зависимости от точного знания всех особенностей климата конкретного района строительства и правильного учета их параметров при проектировании и строительстве. Основным климатическим воздействием, влияющим на долговечность конструкций, является температура окружающей среды. Продолжительность периода отрицательных температур в разных районах Крайнего Севера колеблется до 185 дней.
Отрицательные температуры могут оказывать негативное влияние на формирующую структуру бетона, снижать скорость гидратации. Это объясняется следующим:
1. В результате большого скопления воды вокруг зерен заполнителя происходит ослабление сцепления между крупным заполнителем и растворной части бетона.
® Остаркова О.А., Онисковец Р.В., 2017 г.
2. Увеличение объема воды при воздействии отрицательных температур составляет 9%. Это создает внутреннее напряженное состояние и приводит к разрыхлению структуры бетона и смешению зерен цемента и заполнителя.
3. Образование макровключений льда и местное разрыхление материалов за счет перемещения влаги к охлаждаемой поверхности.
Если сравнить степень гидратации в двух разных условиях- твердение бетона в раннем возрасте и в нормальных условиях, можно сделать вывод - степень практически не отличается, как и фазовый состав новообразований. Это говорит о нарушении прочности бетона не за счет химизма процессов, а за счет физического нарушения структуры.
Из всего выше изложенного, можно сделать вывод о том, что единственной возможностью проведения бетонных работ в условиях отрицательных температур и во избежание нарушения прочностных характеристик железобетонных конструкций является применение традиционных методов зимнего бетонирования.
Существуют рекомендации по выбору метода зимнего бетонирования исходя из железобетонных конструкций и условий. Все они связаны с термическим воздействием на бетонную смесь при монолитном домостроении. Для колонны, балок и плит перекрытия жилых и гражданских зданий используют прогревный метод, а именно прогрев нагревательными проводами [3,459].
Суть метода заключается в установке кабеля определенного сечения и уровня напряжения, который после заливания бетонной смеси подключается к трансформаторам. Под действием электрического тока происходит нагревание провода и тепло передается в толщи бетонной смеси. Преимущество данного метода заключается в экономической эффективности и независимости электропроводящих свойств бетона. Однако недостаток этого метода - проведение точного расчета для подбора кабеля для достижения требуемой прочности бетона [8,14].
Не существует универсальной методики расчета при использовании нагревательных проводов при зимнем бетонировании монолитных конструкций в районах Севера. Моделирование с использованием програмно-вычислительных комплексов способны решить проблему точного расчета с учетом всех факторов, влияющих на температуру. Одним из таких комплексов является БЬСИТ с надстройкой '^пСопсге!. Программа способна составлять графические изменения температуры и прочность бетона во времени как в отдельных слоях конструкции, так и в целом [5; 9; 10].
В работе выполнено моделирование термодинамической задачи прогрева бетона монолитного перекрытия греющим проводом. Построен график набора прочности бетона, произведен анализ температурных деформаций в программе БЬСИТ.
Постановка задачи
Объектом исследования выбрано строительство многоквартирного жилого дома в Ямало-Ненецком Автономном округе г.Тарко-Сале. Монолитное бетонное перекрытие толщиной 200 мм, бетон В25, укладывают при температуре +10°С в опалубку из фанеры 20 мм в том числе и на основание бетона колонны с арматурными выпусками. Колонна имеет температуру в месте укладки -10°С. По верху плиты укладывается утеплитель «Этафом» толщиной 10 мм. Температура наружного воздуха составляет - 10°С, скорость ветра 5 м/с. Для прогрева перекрытия используется нагревательный провод. Выдерживание в опалубке в утеплениях составляет 72 часа с прогревом 6-48 часов.
Рис. 1. Поперечное сечение моделируемого перекрытия
Решение задачи термодинамики процесса прогрева конструкции.
Ручной расчет характеристик прогрева.
Проанализируем расчеты определения параметров нагревательных элементов на основании нормативных документов [5; 9].
Технология термообработки бетона по МДС 12-48.2009 «Зимнее бетонирование с применением нагревательных проводов» [5] сводится к определению коэффициента теплопередачи К по формуле:
К =
"к
(1)
Где - коэффициент передачи теплоты от опалубки излучением;
- толщина слоя теплоизоляционного материала; ^ - коэффициент теплопроводности теплоизоляционного материала; И|( - коэффициент передачи теплоты конвекцией с учетом скорости ветра Далее выполняется выбор напряжение и длины нагревателя по номограмме. Можно сделать вывод, что данный расчет является приблизительным, так как не учитывается изменение параметров во времени.
Используя ТСН 12-336.2007 «Производство бетонных работ при отрицательных температурах среды на территории Республики Саха (Якутия)» [9] расчеты обогрева греющим проводом [п. 7.6] сводится к определению параметров греющих проводов по двум формулам. Определение удельной электрической мощности (2) и шаг расстановки греющих проводов (3).
р
(2)
где Р - суммарная электрическая мощность нагревателей, Вт;
Б - площадь обогрева, м"; 1
Е =
Рур
I 1
(3)
где р - погонная нагрузка на провод, Вт/м.
Данный расчет как и первый [5] не учитывает изменение таких ситуаций как отключение нагревательных проводов или их нарушение, поэтому его можно отнести к приблизительным.
Из выше представленного анализа расчетов по нормативным документам [5; 9], определение требуемых параметров нагревательного провода производится без учеты ситуации во времени, что исключает выбор метода как эффективный способ зимнего бетонирования в условиях Крайнего Севера.
Ручной расчет может быть приблизительным, поэтому используют моделирование состояния прогреваемой конструкции. В данной работе моделирование плиты перекрытия с
использование нагревательных проводов проводится в программном обеспечении БЬСИТ с надстройкой 'МпСопсге!.
Моделирование прогрева конструкции в ЕЬСиТ
БЬСиТ - это интегрированная диалоговая система программ, позволяющая решать плоские и асимметричные задачи следующих типов, одна из которых расчет температурного поля. Решение стационарной и нестационарной задач.
В программе создается модель с соблюдением геометрических размеров, состоящая из конечных элементов - блоков. Далее блокам задаются требуемые свойства, и происходит разбиение блоков на сетку. Задается временный шаг модификации свойств в блоках и решается задача в определенный момент. Так происходит разбиение решения задач на равные заданные промежутки времени.
I
Ы а
и ----. и
3 3? V* л Ш» 5
1 - • п. .:■■.
{ » - .-.-.1/,-.. 111 ш
] I
£ 4 .
1Г."-"4
$
[р.;
<1 ш |
Рис. 2. Расчетная модель
Надстройка '^пСопсге! позволяет производить расчет с учетом введенных новых параметров и уточнении свойств во времени. Исходные данные для каждой задачи изменяются, но надстройка учитывает данные предыдущей задачи. Решение выполняются с учетом интервала времени в 2 часа, учитывая следующее:
1. Собственное выделение тепла бетоном с учетом времени и температуры твердения;
2. Температурный коэффициент сопротивления нагревательных проводов;
3. Регулирование выдерживания бетона на различных технологических этапах. Включение/выключение источника тепла, монтаж/демонтаж утеплителя и опалубки.
4. Прочность бетона
В созданной модели используются физические параметры, а также термодинамические характеристики материалов.
Исходные данные:
1. Класс бетона плиты перекрытия - В25
2. Класс бетона колонны - В25
3. Источник тепла - провод ПНСВ
4. Утеплитель - экстрадированный пенополистирол 0,01 м
Начальные условия:
1. Температура окружающей среды - -10°С
2. Температура бетонной смеси - +10°С
3. Температура колонны - -10°С
4. Температура арматуры —10°С
5. Температура под перекрытием - -10°С
6. Скорость ветра - 5 м/с (коэффициент передачи теплоты конвекцией со стороны
«-» 2 окружающей среды 24 Вт/К' м"
7. Мощность источника тепла - 40 Вт/м Характеристики материалов:
1. Арматура
- Теплопроводность - 58 Вт/К' м
- Удельная теплоемкость - 470 Дж/кг ' К
- Плотность - 7850 кг/м
2. Бетон плиты перекрытия
- Теплопроводность - 2,04 Вт/К' м
- Удельная теплоемкость - 840 Дж/кг ' К
- Плотность - 2400 кг/м
3. Бетон колонны
- Теплопроводность - 1,84 Вт/К' м
- Удельная теплоемкость - 1000 Дж/кг ' К
- Плотность - 2400 кг/м
4. Опалубка
- Теплопроводность - 0,17 Вт/К' м
- Удельная теплоемкость - 1700 Дж/кг ' К
- Плотность - 600 кг/м
5. Утеплитель
- Теплопроводность - 0,032 Вт/К' м
- Удельная теплоемкость - 1340 Дж/кг ' К
- Плотность - 20 кг/м
Показатели удельной теплоемкости, теплопроводности и плотности взяты из справочника, заложенного в программе.
На основании введенных данных получено температурное поле перед началом прогрева, изображенное на рисунке:
мм я
Рис. 3. Температурное поле перед началом прогрева
Время прогрева составляет 48 часов. Затем происходит температурное выдерживание с остыванием бетона в течение 72 ч. Нагревательные провода обеспечивают прогрев конструкции. Временной шаг решения задач выбирается пользователем, но должен быть кратным шагу интегрирования задачи.
В данном расчете Т^= 6 часов. Далее программа проводит расчет с учетом всех параметров во времени. Спустя 6 часов наблюдается следующая картина температурного поля.
I
Ч"'-" —ши К:
»М - «в . л*
_ X и
. л СИ
г 1 г?
. ал .
^Н юта
Рис. 4. Температурное поле через 6 часов прогрева
Исходя из полученных результатов, можно сделать вывод, что замерзание бетона в первые часы не происходит. Конструкция утеплена сверху, а снизу опалубка не позволяет бетонной смеси набрать отрицательную температуру.
ей . ил.
Иг, .
н
I
Рис. 5. Фрагмент плиты перекрытия спустя 21600 сек (6 часов)
Однако тепло распространяется неравномерно. Стабилизация температуры происходит на 187200 сек (на 2 сутки). В основном неравномерность температуры происходит в зоне выпусков арматуры, но даже в начале прогрева температура бетонной смеси в самой холодной точке не опускается ниже +5°С
Рис.6. Фрагмент температурного поля в зоне арматурных выпусков
Конечные результаты температурного поля в программе БЬСИТ можно наблюдать
ниже.
Температура бетона плиты перекрытия достигает +34°С, превышение относительно окружающей среды составляет 44°С. Расчет только в программном обеспечении БЬСИТ без использования надстройки '^пСопсге! является прикидочным. В данном расчете не учитывается реакция гидратации цемента. Используя надстройки '^пСопсге!, можно получить интегральный график распределения температуры и график набора прочности бетона.
Программа делит модель на блоки, параметры которых задает сам пользователь. Расчет происходит с учетом, как и всей модели в целом, так и каждого блока в отдельности в разные моменты времени. Учитывается существование ограждений, а именно утеплитель и опалубка. Но снятие утеплителя возможно только спустя сутки после окончания прогрева при достижении прочности бетона не менее 70% от марочной прочности.
Данная конструкция поделена на 59 блоков по заданной дискретизации модели. Каждому блоку присвоен свой номер. В расчете рассмотрены блоки в зоне арматурных выпусков (35, 23), блоки под утеплителем (49) и на примыкании плиты перекрытия и опалубки (41).
Рис. 7. Температурное поле 259200 сек
В надстройке '^пСопсге! совместно с БЬСИТ получен интегральный график распределения температуры в выбранных блоках.
Рис. 8. Интегральный график изменения температуры бетона на выбранных
блоках модели
Полученные графики температуры бетона образуют температурно-временную историю как по каждому выбранному блоку, так и по всей конструкции. Программа анализирует прочность бетона в процессе прогрева исходя из данных о кинетике твердения бетона при различной температуре выдерживания.
По данным расчетам можно определить скорость набора прочности и в отдельных блоках, и в конструкции в целом. Но стоит отметить, что блоки набирают прочность неравномерно.
Рис. 9. График набора прочности бетона
Теплопотери происходят в зоне арматурных выпусков, что видно по рис.8 и соответственно отражается на рис.9. Температура этой зоны ниже на 20 °С. Наибольшая опасность происходит после 42 часов, когда максимальная температура достигнута и далее происходит остывание. Бетон успевает набрать только 15% марочной прочности.
В зонах предполагаемых больших теплопотерь рекомендуется увеличить мощность нагревательных проводов или уменьшить их шаг. Данные меры позволяют справиться с проблемой неравномерного прогревания и избежать зоны с низкими температурами.
Заключение
В рамках выполненной работы были сделаны следующие выводы:
1. Обоснована актуальность проблемы и необходимость выполнения расчетов для прогрева бетонной смеси проводами ПНСВ в районах Крайнего Севера.
2. Произведен анализ существующего расчета подбора нагревательных проводов для выбранной конструкции с учетом региона на основании действующих нормативных документов. Методики приводят к различным результатам и не учитывают изменение ситуации во времени. Следовательно, ручные расчеты по действующим нормативным документам являются приблизительными.
3. Решена задача о наборе прочности бетона и о распределении температурных полей. Выявлены зоны, в которых происходит неравномерное распределение тепла. И найдены пути решения.
Таким образом обоснован подбор выбранного метода зимнего бетонирования в условиях Севера. Выполнено моделирование в программном обеспечении ELCUT с надстройкой WinConcret, в которой рассмотрена подробно и точно только одна задача. Для обоснования и доказательства полученных результатов требуется дальнейшее исследование и испытания.
Литература
1. Золотухин С.Н., Горюшкин А.Н. Бетонирование при отрицательных температурах // Научный вестник Воронежского государственного архитектурно-строительного университета. Серия: Высокие технологии. Экология. 2012. №1. С. 81-85.
2. Головнев С.Г. Зимнее бетонирование: этапы становления и развития // Вестник Волгоградского государственного архитектурно-строительного университета. Серия: Строительство и архитектура. 2013. Вып. 31(50). Ч. 2. С. 529-534.
3. Миронов С.А. Теория и методы зимнего бетонирования. М.: Стройиздат, 1975. 700 с.
4. Толкынбаев Т.А., Головнев С.Г., Торпищев Ш.К. Добавка для зимнего бетонирования монолитных сооружений // Вестник Южно-Уральского государственного университета. Серия: Строительство и архитектура. 2013. Т. 13. № 2. С. 34-37.
5. МДС 12-48.2009. Зимнее бетонирование с применением нагревательных проводов / ЗАО ЦНИИОМТП. М., 2009
6. Karagol F., Demirboga R., Kaygusuz M.A., Yadollahi M.M., Polat R. The influence of calcium nitrate as antifreeze admixture on the compressive strength of concrete exposed to low temperatures // Cold Regions Science and Technology. 2013. No.89. Pp. 30-35
7. Невелева Н.И., Шатов А.Н. Противоморозные добавки для бетонов // Гидротехника. 2009. №1. С. 84-86.
8. Корытов Ю.А. Зимнее бетонирование с применением нагревательных проводов // Механизация строительства. 2010. № 3. С. 14-20.
9. ТСН 12-336-2007 Производство бетонных работ при отрицательных температурах среды на территории Республики Саха (Якутия)
10. СП 70.13330.2012 «Несущие и ограждающие конструкции. Актуализированная редакция СНиП 3.03.01-87».
11. Jiri Zach, Martin Sedlmajer, Jitka Hroudova, Ales Nevaril. Technology of Concrete with Low Generation of Hydration Heat // Procedia Engineering. № 65. 2013. Pp. 296 - 301.
12. Вальт А.Б., Овчинников А.А. ^особы термообработки бетона при возведении монолитных конструкций // Известия Калининградского государственного технического университета. 2008. № 13.С. 109-112.
13. Zhu Bofang. Temperature Control of Concrete Dam in Cold Region // Thermal Stresses and Temperature Control of Mass Concrete. 2014. Pp. 431-438.
14. Ayman Y. Nassif, Michael F. Petrou. Influence of cold weather during casting and curing on the stiffness and strength of concrete // Construction and Building Materials № 44, 2013, Pp.161-167.
15. Essam A. Kishar, Doaa A. Ahmed, Maha R. Mohammed, Rehab Noury. Effect of calcium chloride on the hydration characteristics of ground clay bricks cement pastes // Beni - suef university journal of basic and applied sciences. 2013. №2. Pp. 20-30.
16. Овчинников А.А. Вальт А.Б. Анализ факторов, влияющих на электротермообработку монолитного железобетона с использованием греющих проводов // Известия Калининградского государственного технического университета. 2009. № 15. С. 120-122.
17. Зиневич Л.В. Применение численного моделирования при проектировании технологии обогрева и выдерживания бетона монолитных конструкций. // Инженерно-строительный журнал. 2011. № 2. С. 24-28.
18. Nassif A.Y., Petrou M.F. Influence of cold weather during casting and curing on the stiffness and strength of concrete // Construction and Building Materials. 2013. No.44. Pp. 161-167.
19. Методические рекомендации по применению нагревательных проводов и кабелей при выполнении общестроительных работ в зимних условиях. М., 1986, 88с.
20. Комаринский М.В., Червова Н.А. Транспорт бетонной смеси при строительстве уникальных зданий и сооружений //Строительство уникальных зданий и сооружений. 2015. № 1 (28). С. 6-31.
21. Комаринский М.В. Производительность поршневого бетононасоса // Строительство уникальных зданий и сооружений. 2013. № 6 (11). С. 43-49.
22. Телешев В.И., Ватин Н.И., Марчук А.Н., Комаринский М.В. Производство гидротехнических работ // Учебник для вузов: в двух частях. Часть 1 Общие вопросы строительства. Земляные и бетонные работы. Москва, 2012. С. 121-125.
23. Телешев В.И., Комаринский М.В., Данилов В.М., Рыжов В.А. Исследования и опыт применения бетононасосного транспорта на строительстве шульбинской гэс // Гидротехническое строительство. 1990. № 10. С. 38-43.
24. Комаринский М.В. Возведение железобетонных гидротехнических сооружений с применением бетононасосной технологии // Ленинградский политехнический институт им. М. И. Калинина. Ленинград, 1989.
25. Телешев В.И., Данилов В.М., Комаринский М.В. Перспективы применения бетононасосного транспорта в гидротехническом строительстве // Гидротехническое строительство. 1986. № 6. С. 34-38.
26. Ватин Н.И., Барабанщиков Ю.Г., Комаринский М.В., Смирнов С.И. Модификация литой бетонной смеси воздухововлекающей добавкой / Инженерно-строительный журнал. 2015. № 4 (56). С. 3-10.
27. Barabanshchikov Yu., Komarinskiy M. Effect of air-entraining agent lhd on the technological properties of concrete mix containing superplasticizer s-3 / Applied Mechanics and Materials. 2015. Т. 725-726. С. 419-424.
28. Комаринский М.В., Смирнов С.И., Бурцева Д.Е. Литые и самоуплотняющиеся бетонные смеси / Строительство уникальных зданий и сооружений. 2015. № 11. С. 106.
29. Барабанщиков Ю.Г., Комаринский М.В. Суперпластификатор C-3 и его влияние на технологические свойства бетонных смесей. Строительство уникальных зданий и сооружений. 2014. № 6 (21). С. 58-69.
