Электронная библиотека Веда
Цели библиотеки
Скачать бесплатно
Доставка литературы
Доставка диссертаций
Размещение литературы
Контактные данные
Я ищу:
Библиотечный каталог российских и украинских диссертаций

Вы находитесь:
Диссертационные работы России
Технические науки
Технология и организация промышленного и гражданского строительства

Диссертационная работа:

Молодин Владимир Викторович. Технология зимнего бетонирования строительных конструкций с управлением термообработкой бетона путём моделирования температурных режимов: автореферат дис. ... доктора технические наук: 05.23.08 / Молодин Владимир Викторович;[Место защиты: Новосибирском государственном архитектурно-строительном университете (Сибстрин)].- Новосибирск, 2012.- 37 с.

смотреть введение
Введение к работе:

Актуальность темы. Непрерывно растущие объёмы капитального строительства в районах с суровыми климатическими условиями, а также требования ускоренного ввода строящихся объектов в эксплуатацию привели к резкому увеличению объёмов зимнего бетонирования. Повышение требований к качеству работ, дефицит и рост стоимости электроэнергии поставили строителей перед необходимостью пересмотра традиционного подхода, как к выбору метода зимнего бетонирования, так и к расчетному обоснованию параметров выбранного метода. Как известно, на качество бетона, укладываемого в зимних условиях, решающее значение оказывает тепловлажностный режим выдерживания. Однако, переохлаждение, перегрев и неравномерность температурного поля при разогреве и остывании свежеуложенного бетона ведут к деструктивным изменениям цементного камня, всего конгломерата в целом, и как следствие – к потере прочности, вплоть до разрушения.

Требуемое быстрое твердение бетона в конструкции осуществляется, как правило, тепловой обработкой, обеспечивающей достижение проектной прочности примерно в 20 – 30 раз быстрее, чем при температуре 20оС. Вместе с тем, анализ состояния дел в строительном комплексе при проведении зимних бетонных работ показал, что при выполнении термообработки бетона имеют место существенные противоречия между требованиями действующих нормативных документов и имеющимися техническими средствами контроля для их выполнения. В частности, температурные ограничения СНиП 3.03.01-87*, несмотря на их чрезвычайную важность, практически невозможно гарантированно выполнить во всех узлах объемной координатной сетки конструкций. Особенно сложно это сделать в местах контакта бетона с нагревателями и примыкания свежеуложенного бетона к ранее забетонированным и уже остывшим конструкциям.

Почти во всех случаях термообработки имеет место перерасход тепловой и как следствие электрической энергии сверх её технически обоснованного уровня.

Установлено, что актуальной задачей зимнего бетонирования массивных монолитных конструкций фундаментов является обоснование такой технологии производства работ, которая позволит максимально эффективно использовать естественное тепло, аккумулированное в талой части грунтового основания, и искусственное тепло, внесенное в грунт при его предварительном оттаивании и прогреве.

При зимнем бетонировании среднемассивных монолитных конструкций каркасов зданий - стен, колонн, плит перекрытий и др. - актуальной является разработка технологии и соответствующих средств контроля выполнения всех нормативных температурных ограничений, в том числе скорости перестройки температурного поля после включения и выключения нагревателей.

Не менее актуальной, но в то же время весьма сложной задачей, является аргументированное обоснование технологии зимнего бетонирования таких монолитных конструкций, как стыки сборных железобетонных конструкций, в том числе нетиповых стыков металлических и железобетонных элементов.

Для решения этих задач необходимо научно обосновать концепцию управления температурными режимами термообработки бетона для наиболее распространённых способов зимнего бетонирования, например, для электродного прогрева и прогрева электрическими нагревательными проводами. Безусловна важность гарантированного выполнения температурных ограничений действующих норм, при всей сложности практического решения этой задачи. Остро стоит вопрос максимально возможного энергосбережения, как на стадии проектирования, так и непосредственно при производстве работ, за счет внедрения управляемых температурных режимов выдерживания бетона с учетом суточной динамики температуры воздуха, скорости и направления ветра, а также, исключения «человеческого» фактора. Важной задачей совершенствования бетонирования в холодную погоду наряду с обеспечением заданной прочности и улучшением физико-механических свойств бетона является сокращение продолжительности и трудоёмкости производственного процесса, экономия материалов и ресурсов. Всё это подчёркивает актуальность задачи научного обоснования и практической реализации концепции системы автоматического управления тепловой обработкой бетона на базе персонального компьютера с использованием современных средств вычислительной математики и информационных технологий.

Настоящие исследования выполнялись в период с 1977 по 2009 год и связаны с циклом работ по проблеме зимнего бетонирования. Данная диссертационная работа является развитием и продолжением исследований НИИЖБ, ЦНИИОМТП, МГСУ, НГАСУ, ТГАСУ, ЮУрГУ и других организаций по дальнейшему совершенствованию технологии зимнего бетонирования строительных конструкций.

Цель диссертационной работы – создание технологии управления термообработкой бетона монолитных конструкций для обеспечения его высокого качества и долговечности при существенном снижении расхода энергии до её технически обоснованного уровня с разработкой технических средств контроля температурных ограничений путем практической реализации управляемых температурных режимов разогрева, выдерживания и остывания как на стадии технологического проектирования - методом компьютерного моделирования, так и на стадии производства работ в условиях отрицательных температур.

Основная идея исследований состоит в нетрадиционном решении актуальных задач проблемы зимнего бетонирования монолитных строительных конструкций методом математического моделирования сложных физических и организационно-технологических процессов в сочетании с современными средствами вычислительной математики и с современными информационными технологиями.

Задачи исследований:

1. Научное обоснование и практическая реализация технологии управления термообработкой бетона с режимами выдерживания:

в оптимальном температурном диапазоне с целью обеспечения заданной прочности и высокого качества бетона путём контроля среднеобъемной температуры твердеющей конструкции и температуры в местах теплового контакта с нагревателями и ранее забетонированным и уже остывшими конструкциями, при существенном энергосбережении,

в ступенчатом температурном режиме разогрева и остывания бетона, снижающего (при необходимости) скорость перестройки температурного поля после соответственно включения или выключения нагревателей.

2. С использованием метода математического моделирования сложных физических и организационно-технологических процессов в сочетании с современными средствами вычислительной математики и с современными информационными технологиями обоснование и практическая реализация:

технологии управления термообработкой при зимнем бетонировании фундаментов мелкого заложения и ростверков свайных фундаментов при максимальном полезном использовании как естественного тепла, аккумулированного в талой части грунтового основания, так и искусственного тепла, внесенного в грунт при его предварительном оттаивании и прогреве;

энергосберегающей технологии зимнего бетонирования монолитных конструкций каркасов зданий (стен, колонн, балок, плит перекрытий и др.) с рассмотрением альтернативных методов тепловой обработки бетона электрическими нагревательными проводами и электродным прогревом, с разработкой технических средств (программных продуктов) контроля температурных ограничений с помощью управляемых температурных режимов разогрева, выдерживания и остывания бетона;

двухэтапной управляемой технологии зимнего бетонирования

стыков сборных железобетонных конструкций, включающей предварительный отогрев стыкуемых элементов и термообработку бетона замоноличивания, в том числе стыков металлических и железобетонных колонн.

3. Для разработки технического средства контроля температурных ограничений на стадии производства зимних железобетонных работ научное обоснование и практическая реализация концепции системы автоматического управления тепловой обработкой бетона на базе персонального компьютера с созданием пакета нестандартных (управляющих) программных продуктов и с использованием результатов решения задач по п.2

Научная новизна результатов исследований заключается в создании научных основ и разработке технологических принципов зимнего бетонирования строительных конструкций с управлением термообработкой бетона путём моделирования температурных режимов при гарантированном обеспечении высокого качества бетона, контролируя допустимые скорости изменения температурного поля при разогреве и остывании в ступенчатом температурном режиме и выполняя нормативные температурные ограничения, особенно в местах его контакта с нагревателями и холодными поверхностями, а также при существенном энергосбережении за счёт полезного использования тепловой инерции бетона в оптимальном температурном диапазоне. Лично автором получены следующие научные результаты.

1. Установлено, что математическое моделирование сложных физических и организационно-технологических процессов позволяет определять температуру и прочность бетона в любой момент времени и в любом сечении конструкции.

2. Для реализации технологии управления термообработкой бетона предложен широко используемый в системотехнике нетрадиционный инструментарий – алгоритмические диспетчеры - позволяющий контролировать динамику температурного поля и включением/выключением нагревателей или изменением электрической мощности регулировать режим термообработки бетона для выполнения нормативных температурных ограничений.

3. Для электродного прогрева бетона в оптимальном температурном диапазоне разработан метод «тройного» управления температурным режимом:

- управление температурным режимом непосредственно в оптимальном температурном диапазоне своевременным включением и выключением нагревателей;

- управлением тепловой мощностью, выделяющейся в бетоне путём изменения напряжения или схемы коммутации электродов;

- управление электрическим сопротивлением бетона путем введения в него при необходимости противоморозной добавки .

По данным экспериментальных исследований получены уравнения регрессии, количественно характеризующие крайне важную для прогнозирования термообработки динамику удельного электрического сопротивления бетона на Чернореченском портландцементе, затворенного как на воде, так и на растворах основных противоморозных добавок различной концентрации при температуре выдерживания 30, 40, 50 и 60 С.

4. С использованием метода математического моделирования сложных физических и организационно-технологических процессов, в сочетании с современными информационными технологиями, предложена технология управления термообработкой бетона при зимнем бетонировании фундаментов мелкого заложения и ростверков свайных фундаментов с максимально полезным использованием естественного тепла, аккумулированного в талой части грунтового основания и искусственного тепла, внесенного в грунт при его предварительном оттаивании и прогреве.

5. Разработаны методы зимнего бетонирования монолитных каркасных конструкций зданий – колонн, балок, стен и плит перекрытий с управляемой термообработкой на базе математического моделирования и современных компьютерных технологий. Обоснована и предложена схема выбора метода термообработки бетона в конкретной конструкции с рассмотрением альтернативных вариантов: в термоопалубке, греющим проводом, сквозным или периферийным электродным прогревом. Причём на стадии проектирования и производства работ контролируется и регулируется процесс твердения бетона с соблюдением всех температурных ограничений и учётом температурных полей в конструкции, а также значений его среднеобъемной температуры и температуры в местах контакта с ранее забетонированными и промороженными конструкциями.

6. Предложена двухэтапная технология зимнего бетонирования стыков сборных железобетонных конструкций с управлением отогревом стыкуемых элементов и термообработкой бетона замоноличивания, в том числе стыков сборных элементов из разных материалов, основанная на компьютерном моделировании тепловых процессов. Обоснована методика прогнозирования характера твердения бетона заделки с контролем всех температурных ограничений на стадии проектирования и управления набором прочности и сцеплением стыкуемых поверхностей с бетоном замоноличивания по всей конструкции.

Теоретическая значимость работы заключается в научном обосновании управляемых температурных режимов теплового воздействия на бетон в оптимальном температурном диапазоне и ступенчатого температурного режима разогрева и остывания, направленных на создание технологии управления термообработкой бетона в различных строительных конструкциях с использованием компьютерного моделирования процесса при бетонировании в зимних условиях.

Практическая значимость результатов работы

1. Разработаны технические средства контроля режимов термообработки и температурных ограничений как на стадии проектирования (с помощью разработанного пакета программных продуктов), так и в процессе производства зимних бетонных работ (с помощью созданного устройства управления термообработкой на базе персонального компьютера).

2. На объектах в г. Новосибирске практически реализованы: технология зимнего бетонирования фундаментных плит, одиночных фундаментов и монолитных ростверков с учётом тепла, аккумулированного в грунтовом основании, с разработкой метода расчетного обоснования предварительного оттаивания и прогрева грунта с последующим выводом на печать масштабного температурного поля в бетонируемой конструкции и основании, среднеобъемной температуры бетона и его температуры на контакте с грунтом;

технологии зимнего бетонирования монолитных каркасных конструкций надземной части зданий (элементов монолитных каркасов, стен, перегородок, плит перекрытий и др.). При этом с помощью созданных алгоритмических диспетчеров на стадии проектирования контролируется соблюдение всех температурных ограничений в конструкции, а на стадии производства работ осуществляется управление термообработкой;

двухэтапная технология зимнего бетонирования стыков сборных железобетонных конструкций с расчетом электрической сети нагревателей термоактивной опалубки (предварительный прогрев и последующий малоинтенсивный обогрев стыкуемых элементов), а также нагревателей бетона замоноличивания с контролем всех температурных ограничений на стадии проектирования и в процессе бетонирования. При этом сокращена трудоёмкость работ за счёт автоматизации производственного процесса.

3. Сконструирована, изготовлена и испытана на практике система автоматического управления тепловой обработкой бетона на базе цифрового автоматического регулятора мощности и персонального компьютера. Производственные испытания экспериментального образца системы показали возможность энергосбережения до 30 % за счет полезного использования тепловой инерции бетона при его выдерживании в оптимальном температурном диапазоне с автоматическим учетом суточной динамики температуры воздуха, скорости и направления ветра при гарантированном выполнении всех температурных ограничений на стадии производства работ. Оригинальность разработки подтверждена патентом РФ на изобретение № 2322344 «Устройство для автоматического регулирования температурного режима при тепловой обработке монолитных железобетонных конструкций» от 20.04.2008 г.

4. Создан комплект нормативных документов и программного обеспечения для внедрения предложенных научно-технических решений при осуществлении зимнего бетонирования.

Достоверность полученных результатов подтверждена их широким внедрением в практику проектирования и производства зимних бетонных работ на объектах г. Новосибирска и Новосибирской области. Все расчёты для технологических регламентов выполнены под руководством автора в ООО «ПИ Сибмашпроект».

Достоверность разработанных методов расчетного обоснования технологии подтверждена в процессе производства работ при зимнем бетонировании фундаментной плиты административно-торгового здания по ул. Добролюбова в г. Новосибирске (2006 г.), плит-ростверков при реконструкции общежития под жилой дом с офисными помещениями по ул. Залесского в г. Новосибирске (2007 г.), фундаментов жилого комплекса по ул. Военной в г. Новосибирске (2008 г.), колонн, плит и диафрагм жесткости на строительстве административного здания на пересечении улиц Свердлова–Советская в г. Новосибирске (зимой 2005/2006 г.), при зимнем замоноличивания стыков при возведении административного здания по ул. Ленина в г. Новосибирске (2006 г.), фундаментных блоков, монолитных ростверков, стен и перекрытий при строительстве логистического комплекса по ул. Омский тракт в г. Обь (2007 г.) и гостиницы на 149 номеров в аэропорту «Толмачёво» (2007 г.).

На защиту выносятся:

1. Технологии управления термообработкой бетона в оптимальном температурном диапазоне и в ступенчатом температурном режиме при разогреве и остывании бетона.

2. Система алгоритмических диспетчеров, с помощью которых реализуется возможность практического управления термообработкой бетона в оптимальном температурном диапазоне и в ступенчатом температурном режиме.

3. Технология зимнего бетонирования фундаментов мелкого заложения, монолитных ростверков, каркасных конструкций зданий и стыков сборных железобетонных конструкций с контролем всех температурных ограничений на стадии проектирования и в процессе бетонирования.

4. Система автоматического управления тепловой обработкой бетона, регулирующая процесс термообработки в случае несовпадения прогнозных и фактических условий производства.

Личный вклад автора. Все основные положения, результаты и выводы принадлежат лично автору. Задачи по проблеме, решаемой в диссертационной работе, ставились и решались автором на примерах конкретных объектов, строительство которых велось в г. Новосибирске. Лично автором:

1) освоен нетрадиционный метод решения актуальных научно-технических задач проблемы зимнего бетонирования методом математического моделирования сложных физических и организационно-технологических процессов на основе современных информационных технологий;

2) разработаны физические и математические модели теплофизических и организационно-технологических процессов с их численной реализацией на примерах конкретных объектов;

3) предложена технология зимнего бетонирования с управлением термообработкой твердеющего бетона;

4) основные результаты, полученные автором, внедрены в реальное строительное производство на объектах, сооружаемых в г. Новосибирске. При этом реализованы проектные решения с расчетами по разработанным автором методикам (ООО «ПИ Сибмашпроект») и бетонирование в зимних условиях зданий различного назначения в г. Новосибирске и Новосибирской области (ОАО «Вымпел», ООО «Евросити», ООО «СибСтрой» и ОАО «Стройтрест № 43»);

5). результаты исследований автора внедрены в ФГБОУВПО НГАСУ (Сибстрин) при обучении студентов по специальности 270102 «Промышленное и гражданское строительство».

Апробация работы. Основные результаты диссертационной работы доложены: на IV и V Всероссийских и на II Международной научно-практических конференциях МОиН РФ «Развитие вуза через развитие науки» (Тольятти, 2006, 2007 и 2008 гг.), на Всероссийской научной конференции «Математика. Механика. Информатика» (Челябинск, 2006 г.), на Международной научно-практической конференции «Актуальные проблемы Транссиба на современном этапе» (Новосибирск, 2007 г.), на IV Международной научно-практической Интернет – конференции «Состояние современной строительной науки 2006» (Полтава, 2006 г.), на Всероссийской научно-технической конференции «Актуальные проблемы строительной отрасли» (Новосибирск, 2008 г.).

Публикации. Основные полученные результаты опубликованы в 32 научных печатных трудах, в том числе в монографии и 14 статьях в журналах с внешним рецензированием (ж. «Бетон и железобетон» – 3 статьи и ж. «Изв. вузов. Стр-во» – 11 статей), в трудах 11 Международных и Всероссийских научно-технических конференций, а также защищены пятью авторскими свидетельствами СССР и одним патентом РФ.

Структура и объем диссертационной работы. Диссертационная работа состоит из введения, шести глав, основных выводов и списка литературы из 268 наименований. Содержание диссертации изложено на 276 страницах текста и содержит 131 рисунок и 19 таблиц.

Автор выражает благодарность действительному члену РААСН РФ д-ру техн. наук, профессору Крылову Б.А., д-ру техн. наук, профессору НГАСУ (Сибстрин) Попову Ю.А. и д-ру физ.-мат. наук, профессору НГАСУ (Сибстрин) Воскобойникову Ю.Е. за поддержку, ценные предложения и постоянную помощь при выполнении настоящей работы, а так же канд. техн. наук, доцентам Луневу Ю.В.и Андриевскому С.Н., аспирантам и магистрантам НГАСУ (Сибстрин) Усинскому Е.К., Паргачевской И.А., Пинаевой Ю.А. и Суханову А.С. за неоценимую помощь при разработке и освоении новой технологии.


© Научная электронная библиотека «Веда», 2003-2013.
info@lib.ua-ru.net