кандидат технических наук Жадановский Борис Васильевич

Ведущая организация: ГУП «НИИМосстрой»

Защита состоится «__» _________ 2009 года в ____ час ____ мин на заседании диссертационного совета Д.212.138.04 при ГОУ ВПО Московском государственном строительном университете по адресу: 129337, Москва, Ярославское шоссе, д.26, зал заседаний Учёного совета.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ГОУ ВПО Московского государственного строительного университета

Условиям массового жилищного строительства, наиболее соответствуют сборно-монолитные каркасные системы, которые имеют соответствующую заводскую готовность и высокую технологичность, что позволяет существенно снизить трудоемкость и продолжительность возведения каркаса.

Сборно-монолитные системы обеспечивают высокую скорость возведения каркаса и гибкость архитектурно-планировочных решений. При этом достигается снижение удельных расходов материалов и трудоемкости производства работ.

В ходе исследования необходимо решить следующие задачи:

1. Проанализировать отечественные и зарубежные технологии возведения различных каркасных систем.

2. Исследовать конструктивные, организационные и технологические особенности возведения сборно-монолитных каркасов.

3. Проанализировать современные методы тепловой обработки бетона (с позиции целесообразности применения к узлам сборно-монолитного каркаса) и наметить пути решения ускоренного набора прочности бетона стыков для обеспечения их равнопрочности и повышения эксплуатационной надежности.

4. Провести аналитические исследования по учету конструктивных и теплотехнических особенностей узлов омоноличивания при расчетах параметров тепловой обработки бетона.

5. Оценить эффективность применения ускоренных методов твердения бетона стыков и разработать наиболее рациональные технологические режимы, обеспечивающие равнопрочные сопряжения элементов каркаса.

6. Провести аналитические исследования влияния утепления узлов омоноличивания и прилегающих к ним железобетонных элементов на характер теплопотерь.

7. Разработать технологические режимы прогрева стыков с использованием модифицированных высокопрочных бетонов.

8. Провести экспериментальную проверку эффективности принятых технологических решений исследованиями в лабораторных и производственных условиях.

Объект исследования. Объектом настоящего исследования является технология устройства монолитных стыков пространственного каркаса многоэтажных зданий в условиях отрицательных температур. В качестве таких стыков рассматриваются сопряжения колонн с ригелями, ригелей с перекрытием.

Метод исследования - аналитический с использованием математической модели оценки температурных полей. Проведены экспериментальные исследования в лабораторных и производственных условиях с целью определения физико-механических характеристик бетона омоноличивания стыков.

-аналитические и экспериментальные исследования по учету потоков тепла от прогреваемого бетона омоноличивания через примыкающие к узлу железобетонные элементы при расчете теплопотерь в стыках омоноличивания на стадии изотермического прогрева бетона.

Публикации. По теме диссертации всего опубликовано 2 печатные работы в реферируемых журналах по списку ВАК.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения. Объем диссертации составляет 181 страницы, 10 таблиц, 78 рисунка. Библиографический список составляет 129 наименования трудов отечественных и зарубежных авторов.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы диссертации, сформулированы цели и задачи работы, объект и методы исследования, показана научная и практическая ценность работы.

В первой главе проанализированы отечественные и зарубежные технологии возведения различных каркасных систем. Несущие каркасы этих систем выполняют из сборно-монолитного или монолитного железобетона. Отсутствие сварных соединений упрощает сборку каркаса, не требует высокой квалификации рабочих.

Ключевым этапом возведения каркасных и каркасно-монолитных зданий является бетонирование стыков между сборными железобетонными элементами.

Требования к прочности конструкции здания в целом вызывают необходимость предъявлять особое внимание к этим узлам.

Универсальное оборудование для формования элементов каркаса позволяет изготавливать их с различными параметрами сечений и необходимой длиной. Конструкция элементов каркаса, их размеры, структура армирования рассчитываются индивидуально для каждого конкретного проекта, что позволяет в конечном итоге оптимизировать расход материалов и уменьшить стоимость квадратного метра здания.

Во второй главе проанализированы конструктивные, организационные и технологические особенности возведения сборно-монолитных каркасов с применением сборных многоярусных колонн и сборно-монолитных (или пустотных) перекрытий (рис. 1)

Применение сборно-монолитных каркасов позволяет в значительной степени исключить недостатки панельного и монолитного домостроения.

Основа технологии заключается в применении сборно-монолитного каркаса, монтируемого из изделий заводского изготовления: колонна, ригель, плита, несъемная опалубка (или пустотная плита) с омоноличиванием узлов и отсутствием сварочных работ на стройплощадке.

Рис. 1. Сборно-монолитный каркас

Для обеспечения всех преимуществ сборно-монолитной технологии, необходимо интенсифицировать технологию омоноличивания стыков в зимних условиях и обеспечить равнопрочность сопряжения сборных элементов и их адгезию с монолитным бетоном.

Для обоснования оптимальной технологии устройства узлов омоноличивания при отрицательных температурах, в третьей главе проведен анализ современных методов тепловой обработки бетона с позиции целесообразности их применения к рассматриваемым узлам.

Отмечено, что вопросам зимнего бетонирования посвящены многочисленные исследования, проводимые д.т.н. проф. Крыловым Б.А., Красновским Б.М., Афанасьевым А.А., Амбарцумяном С.А., Арбеньевым А.С., Колчеданцевым Л.М., Головневым С.Г., Данилова Н.Н., Соловьянчиком А.Р., к.т.н. с.н.с. Гендиным В.Я., Копыловым В.Д., Комиссаровым С.В. и др.

Результаты их исследований являлись основой для разработки и совершенствования технологии устройства стыков при отрицальных температурах. Проведенный анализ показал, что поддержание заданной температуры твердения бетона в стыках омоноличивания, как основного фактора влияющего на скорость набора прочности бетоном, требует постоянного подвода теплоты для компенсации теплопотерь через примыкающие сборные элементы.

Использование греющих проводов для прогрева бетона омоноличивания позволит обеспечивать подвод тепла непосредственно бетону омоноличивания в необходимом объеме на любой стадии выдерживания бетона, что дает возможность оптимизировать процесс электропрогрева и оказывать влияние на скорость подъема температуры и остывания. Большая теплоемкость сборных железобетонных конструкций, примыкающих к стыку омоноличивания, высокая вероятность развития деструктивных процессов на контактной поверхности, огромное значение обеспечения адгезии и монолитности сопряжения требует учета в теплотехнических расчетах потерь тепла от прогреваемого бетона в окружающую среду через примыкающие сборные элементы, а также эффект влагопереноса в область охлажденных конструкций.

Для учета этих факторов в 4 главе рассмотрена методика учета в теплотехнических расчетах обработки бетона потоков тепла от прогреваемого бетона омоноличивания через прилегающие сборные элементы на основе математической модели полуограниченного стержня без тепловой изоляции боковой поверхности.

В силу того, что размеры сечений прилегающих элементов значительно меньше их длины, прилегающий к узлу, сборный элемент моделируется как полуограниченный стержень без тепловой изоляции боковой поверхности.

Постановка задачи предусматривает полуограниченный стержень, боковая поверхность которого не имеет тепловую изоляцию - т.е. между боковой поверхностью стержня и окружающей средой происходит теплообмен по закону Ньютона (граничное условие 3 третьего рода).

Температура среды, окружающая боковую поверхность стержня, принимается постоянной и равной его начальной температуре. Начальная температура стержня везде одинакова и равна Т₀. Температура среды Т_с.

Требуется найти распределение температуры по длине стержня в любой момент времени и удельный тепловой поток через его боковую поверхность. монолитный высокопрочный бетон зимний теплопотеря

Решение: так как высота и ширина стержня малы по сравнению с длиной, а коэффициент теплопроводности значителен, то можно считать, что перепад температуры по высоте и ширине стержня равен нулю, т.е. .

Таким образом, поставленная задача сводится к одномерной задаче, когда перепад температуры происходит только в одном направлении (рис.2).

Рис.2. Распределение температуры в полуограниченном стержне без тепловой изоляции боковой поверхности

Теплоотдачу с боковой поверхности стержня в окружающую среду необходимо учесть в самом дифференциальном уравнении в качестве отрицательного источника тепла.

Таким образом, дифференциальное уравнение теплопроводности можно написать так:

(ф > 0, 0 < x < ?), (1)

Решив уравнение теплопроводности, получим, что тепловой поток проходящий через примыкающие к узлу конструкции может быть найден из решения задачи о теплопроводности полуограниченного стержня, боковая поверхность которого не имеет тепловую изоляцию и которую в общем виде можно представить следующей зависимостью:

(2)

Количество теплоты, передаваемое стержнем в окружающую среду, будет равняться количеству теплоты, проходящему через его основание:

, (3)

Формула, определяющая количество теплоты, отданной стержнем в окружающую среду:

, (4)

Суммарные теплопотери прогреваемого стыка в общем виде определяются пзависимостью:

(5)

Расчетная схема теплопотерь определяемых по данному расчету приведена на примере стыка омоноличивания колонны и двух ригелей (рис. 3).

Рис. 3 Расчетная схема теплопотерь узла сопряжения колонны и 2-х ригелей. (1 - колонна, 2 - ригель, 3 - бетон омоноличивания, 4 - опалубка)

Q₁ - поток тепла от прогреваемого бетона омоноличивания в окружающую среду через тело колонны; Q₂ - то же, через ригель; Q₃ - теплопотери через ж/б стенки узла омоноличивания ригеля; Q₄ - теплопотери узла омоноличивания ригеля через неопалубленную поверхность; Q₅ - теплопотери узла омоноличивания колонны через неопалубленную поверхность; Q₆ - теплопотери узла омоноличивания колонны через опалубку.

Рис. 4. Схема раскладки греющего провода. (1 - колонна, 2 - бетон омоноличивания, 3 - ригель, 4 - греющий провод, 5 - опалубка, 5 - коммутационный кабель, 7 - утеплитель)

По определенным теплопотерям можно рассчитать параметры прогрева греющими проводами (рис. 4). Греющие провода ПНСВ 1.2 диаметром токоведущей жилы d= 1.2 мм. Напряжение 75 В. L_общ = 27 м, 23 витка, расстояние между витками 0.12 м Следует отметить также, что в связи с высокой степенью армирования узла, при раскладке греющего провода согласно схеме (рис. 4) возможно появление индукционной составляющей прогрева. Для реализации указанной схемы (рис. 4) целесообразно в заводских условиях изготавливать полимерные цилиндрические каркасы с навитым на него греющим проводом.

В пятой главе изложены результаты экспериментальных исследований по тепловой обработки бетона греющими проводами при отрицательных температурах в условиях производства и моделирование технологических режимов тепловой обработки узлов в лабораторных условиях.

Производственный эксперимент проводился при возведении восьмиэтажного двухсекционного жилого здания. Осуществлялся входной контроль бетонных смесей. При этом измерялась осадка конуса и температура бетонной смеси, изготавливались контрольные образцы.

Производился операционный контроль качества укладки и уплотнения бетонной смеси в стыки омоноличивания, утепления забетонированных конструкций (все этапы выполнялись с соблюдением СНиП 52-01-2003, СНиП III.15-76, СНиП III.4-80*). В ходе электропрогрева бетона осуществлялся контроль за работой сети электропрогрева, измерялись напряжение (Вольтметр универсальный цифровой АВМ-4306) и сила тока (токоизмерительные клещи Ц-91). Напряжение, подаваемое на петли, измерялось техническим вольтметром с пределом измерений 100 В. В качестве понижающего трансформатора использовалась подстанция для прогрева бетона КТПТО-80 со ступенчатым переключением напряжения во вторичной обмотке: 42В, 55В, 65В, 75В, 85В. Измерялись температура наружного воздуха и бетона в контролируемых стыках (термоэлектрические преобразователи ТП 008 L21-BDXIA с блоком коммутации).

Контроль прочности бетона производился неразрушающим методом с использованием электронного измерителя прочности бетона ИПС-МГ4.

Определялись фактические трудозатраты по монтажу греющих проводов и магистральных коммутационных кабелей. При достижении бетоном омоноличивания прочности 65-70% от Rb²⁸, производилось отключение греющих проводов от напряжения и осуществлялся контроль за процессом остывания бетона.

Организация контроля качества за производством бетонных работ в зимних условиях позволила определить не только прочность бетона, но и степень его однородности, выявить дефекты в структуре и контролировать качество стыков.

Расчет параметров прогрева бетона стыков омоноличивания, изложенный в 4-ей главе, позволил учесть теплотехнические особенности стыка, характер его утепления, температуру наружного воздуха.

В ходе эксперимента исследованы технико-экономические параметры процессов омоноличивания узлов сборно-монолитного каркаса с применением греющих проводов. Экспериментальные параметры прогрева греющими проводами узла омоноличивания колонны и 2-х ригелей с утеплением и без утепления, представлены на рисунке (рис.5).

Рис.5. Экспериментальные параметры прогрева греющими проводами узла омоноличивания колонны и 2-х ригелей (с утеплением и без утепления) (1 - прочность бетона в утепленном стыке, 2 - то же в не утепленном; 3 - температура бетона в утепленном стыке, 4 - то же не в утепленном; 5 - мощность греющего провода в утепленном стыке, 6 - то же в не утепленном; 7 - температура наружного воздуха)

Использование греющих проводов для прогрева бетона омоноличивания позволило обеспечить подвод тепла непосредственно бетону омоноличивания в необходимом объеме на всех стадиях выдерживания бетона и дало возможность регулировать скорость подъема температуры и остывания.

Технико-экономические показатели прогрева бетона омоноличивания колонн и ригелей представлены в таблице (табл. 1).

Таблица 1. Технико-экономические показатели прогрева бетона омоноличивания колонн и ригелей

Интенсифицировать процесс устройства узлов омоноличивания позволит комбинирование тепловой обработки греющими проводами и применение высококачественных модифицированных бетонных смесей.

Прочность таких бетонов уже через 1 сутки твердения при 22 ⁰С достигает 45-55% от проектной. Применение высокопрочных модифицированных бетонов позволит сократить время выдерживания бетона более чем в 2 раза.

Значительное влияние на сроки электропрогрева, энергозатраты влияет характер утепления стыков омоноличивания и примыкающих к стыку сборных железобетонных элементов. Затраты электроэнергии на прогрев утепленных стыков омоноличивания колонн и ригелей на 30…55% меньше, чем неутепленных.

С целью исследования интенсивности теплопотерь и адгезии в рассматриваемых узлах, в лабораторных условиях проведено моделирования выдерживания бетона омоноличивания колонны и 2-х ригелей по методу «ТЕРМОС» (рис. 5).

Рис. 5 Общий моделируемого узла

Полученные температурные данные выдерживания бетона омоноличивания представлены на рисунке (рис. 6).

Сопоставление экспериментальных данных по моделированию метода «ТЕРМОС» с анализом методик теоретических расчетов остывания узла (Б.Г. Скрамтаева и др.) показало, что в методиках расчета необходимо уточнение теплопотерь в начальный момент выдерживания от соприкосновения с охлажденными сборными элементами.

Проведя обратные преобразования (отталкиваясь от экспериментальных показателей температуры выдерживания) по методики Б.Г. Скрамтаева, оставляя неизменным приведенный коэффициент теплопередачи опалубленной поверхности, получим, что начальную температуру с учетом всех теплопотерь, необходимо снизить на 25…30% от полученной по расчету и таким образом учесть теплопотери на отогрев примыкающих элементов.

Рис. 6. Температура бетона омоноличивания и сборного бетона в прилегающих элементах на расстоянии 0, 10, 20, 30 см от узла.

Экспериментальные данные покали на отсутствие адгезии монолитного и сборного бетона при выдерживании методом термоса в указанных выше условиях без отогрева примыкающих элементов.

Таким образом, при применении этого метода зимнего бетонирования необходимо перед укладкой смеси отогреть сборные конструкции примыкающие к узлу до положительной температуры в соответствии с рекомендациями СНиП 3-03-01-87.

Для снижения вероятности развития деструктивных процессов на контактной поверхности монолитного и сборного бетона метод «ТЕРМОС» необходимо сочетать с предварительным разогревом бетонной смеси и применением модифицированных бетонов либо бетонов на основе вяжущих низких температур.

В связи с тем, что предварительный отогрев сборных конструкций примыкающих к узлу затруднителен и не технологичен в условиях строительной площадка, при применении бетонов класса B25..В30 целесообразно в заводских условиях закладывать в сборные элементы в местах примыкания к узлам омоноличивания греющие провода и до укладки монолитного бетона разогревать сборные элементы до положительной температуры.

Данная технология позволяет также прогревать бетон в узле в процессе выдерживания и дает большой эффект при комбинировании с другими методами зимнего бетонирования.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ

1. Исследования технологии устройства монолитных стыков многоэтажных каркасных зданий при отрицательных температурах показали, что главными технологическими параметрами при решении этой задачи следует считать оценку взаимодействия граничного слоя монолитного бетона и охлажденных элементов сборных конструкций, а так же условия обеспечения монолитности сопряжения этих элементов.

2. Анализ современных методов тепловой обработки бетона свидетельствует, что использование греющих проводов для прогрева бетона омоноличивания позволяет обеспечивать подвод тепла непосредственно бетону омоноличивания в необходимом объеме на любой стадии выдерживания бетона, что дает возможность оптимизировать процесс электропрогрева и оказывать влияние на скорость подъема температуры и остывания.

3. Учитывать потери тепла от прогреваемого бетона через прилегающие к узлу охлажденные элементы при изотермическом прогреве возможно по расчету на основе математической модели полуограниченного стержня без тепловой изоляции боковой поверхности.

4. В стыки необходимо закладывать греющие провода с таким расчетом, чтобы они на 35 … 45 % были мощнее рассчитанных по теплопотерям на стадии изотермического прогрева.

5. Утепление прогреваемых стыков и примыкающих к стыкам участков сборного железобетона обеспечивает значительное (до 30%) сокращение продолжительности выдерживания и энергозатрат на прогрев бетона.

6. Интенсифицировать процесс устройства узлов омоноличивания позволяет комбинирование тепловой обработки греющими проводами и применение высококачественных модифицированных бетонных смесей.

7. Сокращение энергозатрат при электропрогреве греющими проводами в период набора прочности бетоном в стыках омоноличивания достигается применением высокопрочных модифицированных бетонов.

8. Для отогрева сборных элементов примыкающих к узлу омоноличивания в соответствии с рекомендациями СНиП 3-03-01-87 целесообразно при прогреве бетона греющими проводами применять высокопрочные модифицированные бетоны класса (B40…45, с В/Ц 0.21….25), разогретые до температуры 25…30 ⁰С с добавками - замедлителями твердения.

9. При применении бетонов класса B25..В30 целесообразно в заводских условиях закладывать в сборные элементы в местах примыкания к узлам омоноличивания греющие провода и до укладки монолитного бетона разогревать сборные элементы до положительной температуры. Учитывая высокую теплоемкость бетона наиболее рационально применение греющих оставляемых кабелей, а режим отогрева контролировать изменением подаваемого напряжения.

10. Использование метода «ТЕРМОС» возможно только сочетая его с предварительным электроразогревом бетонной смеси в бункерах, совместно с применением модифицированных бетонов либо бетонов на основе вяжущих низких температур.

11. Технология тепловой обработки стыков омоноличивания греющими проводами позволила получить прочность бетона стыков не менее 70% от проектной в более ранние сроки, чем при используемом строительной организацией электродном электропрогреве.

ПУБЛИКАЦИИ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

1. Селищев К.С. Оптимизация технологических режимов прогрева стыков при возведении каркасных зданий // Промышленное и гражданское строительство, 2009, №4, с.61.

2. Селищев К.С. Расчет параметров прогрева бетона в узлах омоноличивания сборно-монолитных конструкций // Промышленное и гражданское строительство, 2009, №8, с.60-61.

Размещено на Allbest.ru