Расчётное определение температуры бетона через опалубку

Определение температурной инварианты от влияния ветра.

Как и в случае пирометрических измерений, косвенные измерения с накладками могут выполняться преимущественно только по наружной поверхности палубы опалубки, плотно прилегающей к бетону. Это может быть не утеплённая палуба переставной или несъёмной опалубки, поверхность утеплённой опалубки, когда возможно размещение датчика температуры на палубе под плотно прилегающим к ней утеплителем.

Расчёт температуры бетона по температуре палубы под накладкой и температуре воздуха признании значений коэффициентов теплопроводности материала палубы и накладки (утеплителя) выполнены, как и для ИК измерений. При этом температура бетона за плоской тонкой стенкой палубы определяется теоретически на основе стационарного уравнения Фурье теплопроводности первого рода при решении задачи равенства тепловых потоков (1) по закону сохранения энергии с определением теплоотдачи с поверхности накладки (температуры поверхности накладки t_п):

(1)

(2)

где:

R _огр – термическое сопротивление ограждения;

R _н – термическое сопротивление накладки;

α = α _л+ α _к – коэффициент теплоотдачи воздуха;

– температура бетона под ограждением;

– температура ограждения под накладкой;

– температура наружной поверхности накладки;

– температура окружающего воздуха (среды).

При этом также принимается, что накладка в расчёте представляется в виде бесконечной плоской тонкой стенки, как и палуба. Из уравнения (2) видно, что температуру бетона при знании термического сопротивления ограждения и накладки можно определять по температуре под накладкой и температуре внешней поверхности накладки. Однако температуру внешней поверхности накладки вместо температуры воздуха в расчёте использовать не рекомендуется, поскольку на значение первой оказывает влияние скорость ветра, что будет приводить к дополнительным ошибкам.

Данные об отклонениях температуры на поверхности опалубки под накладками различной толщины от влияния скорости ветра получены, аналогично расчётам для ИК измерений, при решении задачи (1) с применением итерационного способа поиска t_n при определении теплоотдачи с поверхности накладки.

Количественные и качественные характеристики изменения температуры поверхности под накладками от действия ветра также показаны через температурное отклонение ∆t =[ t_п (V =0)- t_п (V >0)] графически (рис. 1):

Рис. 1 Изменение температуры поверхности ограждения (R =0,175м²*°С/Вт) под накладками толщиной 10,20,30,40,50 мм (λ=0,049 Вт/м*°С) от действия ветра V =0... 15м/с (α_к =3,25+(6V)⁰⁸, Вт/м²*°С) при t_б-t_нв=60 град; ε =0,95.

Очевидно, что для обеспечения точности измерений в 2°С необходимо использовать накладки толщиной не менее 40мм (R_н >0,81 м²*°С/Вт), как и указывалось в работе [6]. При этом дальнейшее увеличение толщины накладки не приводит к существенному снижению ветровой температурной инварианты (∆t).

На графике рис. 2для того же ограждения показана зависимость величины ∆t от скорости ветра при накладке 40мм и при различных величинах t_б-t_нв.

Рис. 2 Изменение температуры поверхности ограждения под накладкой толщиной 40мм от действия ветра при различных значениях температурной разности t_б-t_нв.

Показательно, что величина отклонений температуры на поверхности палубы стабилизируется по достижении ветром скорости 5м/с, то есть при дальнейшем его увеличении практически не изменяется. Таким образом, ошибка определения температуры палубы под рассматриваемой накладкой от действия скорости ветра может в среднем составлять 1...1,5°С и не превысит 2°С.

При решении задачи с бесконечной плоской пластиной применительно к накладке, не учитывалась ограниченность её геометрических размеров. Очевидно, что при технологических ограничениях размеров накладок в пределах до 200x200мм в случае аналитического расчёта будут иметь место существенные неточности в определяемой температуре бетона (её занижение) из-за влияния краевых эффектов. В этом случае для расчёта температуры бетона и оценки точности исследуемого косвенного МОТБ такая простая аналитическая модель определения температуры бетона не годится - расчетные зависимости должны строиться по экспериментальным данным на основе линейных корреляций, как и в работе [6].

Влияние геометрии накладок и толщины палубы.

Полученные экспериментальные данные показывают, что изменение толщины накладки из пенополистирола в пределах 30...50мм практически не влияет на величину коэффициентов полученных уравнений, также как и изменение толщины фанерной палубы в пределах 18...21мм.

Характер изменения расчётной зависимости при изменении размера накладок в плане в большей своей части подтверждает уже имеющиеся данные [6]. По сериям измерений на контрольных щитах для накладок из пенополистирола толщиной 30-50мм со стороной от указанного -1/+2см на ламинированной фанере толщиной 18-21мм выведены следующие расчётные уравнения:

а) Накладка 100x100мм: t_б=t_п +2,564+0,525(t_п-t_нв); S_r =l,48°C, n =34;

б) Накладка 150x150мм: t_б=t_п +2,103+0,3(t_п-t_нв); S_r =l,28°C, n =31;

в) Накладка200x200мм: t_б=t_п +l,604+0,231(t_п-t_нв); S_r =l,62°C, n =34;

г) Сплошное утепление 300x1000мм толщиной 50мм: t_б=t_п +1,2 l+0,138(t_п-t_нв); S_r =0,14°C, n =17.

Здесь также следует отметить, что при величине стороны накладки 250…300мм ещё сохраняются достаточно большие расхождения с теоретическими уравнениями по Фурье, которые для накладок толщиной 30, 40, 45 и 50мм имеют вид (для сравнения):

30мм: t_б=t_п +0,168(t_п-t_нв); 40мм: t_б=t_п + 0,132 (t_п-t_нв);

45мм: t_б=t_п +0,119(t_п-t_нв); 50мм: t_б=t_п +0,108(t_п-t_нв).

Совместная работа системы ограждение-накладка.

Стационарное распределение температур в системе ограждение-накладка устанавливается в течение 0,5...1,5ч (1...2ч) на фанере 18мм (21мм) в зависимости от величины температурной разности t_п-t_нв. Для металлической опалубки температура бетона практически равна измеренной на поверхности палубы под накладкой, независимо от размеров последней. При этом, для толстых металлических ограждений (толщина более 4мм) при малом значении t_п-t_нв (до 10°С) установление теплового равновесия может занимать несколько часов, но в большинстве иных случаев не более получаса.

Величина локального увеличения температуры под накладкой как и величина смещения изотермы, зависит от множества непостоянных факторов, (например, от толщины палубы толщины и размеров накладки, равномерности распределения температур в бетоне) и не может быть достаточно точно охарактеризована конкретным числом или выражением. Тем не менее, её можно, описать, частным выражением для конкретных условий проведения эксперимента.

Величина смещения изотермы определялась замерами температур бетона под накладкой (t) и в 20см на удалении от неё (точки t₁...t₄) в глубине бетона. Результаты расчёта показывают, что глубина, на которой накладка со стороной 100мм позволяет определять температуру бетона, составляет около 1...2см и возрастает пропорционально увеличению теплового потока через ограждение (рис. 3).

А)

Б)

Рис. 3 Величина глубины смещения изотермы в зависимости от температурной разности t_п(н)-t_нв, где t_п(н) – температура поверхности опалубки под накладкой, t_нв – температура воздуха: а) для каждой из накладок; б) корреляционный анализ для всех накладок (со стороной 100мм).

Согласно приведённым данным, зависимость смещения изотермы под накладкой со стороной 100мм на ограждении из фанеры толщиной 18мм приблизительно равна: h=0,897[ t_п(н)-t_нв ], мм.

Влияние конструкции накладки

Применение накладок в построечных условиях из различного материала показало, что наиболее стабильные результаты на палубах из фанеры получаются при использовании жёстких накладок из обычного (типа «ПСБ») и экструдированного (типа «Пеноплекс») пенополистирола. При этом многое зависит от сплошности контакта накладки с палубой и степени прижатия датчика температуры к палубе.

Лёгкие накладки из обычного пенопласта с ровной контактирующей поверхностью за счёт выраженного статического притяжения создают благоприятные условия на контакте с ограждением даже при слабом креплении накладок, однако они недолговечны (5...10 оборотов). На поверхности накладок из экструдированного пенополистирола из-за их меньшей упругости быстро образуются неровности, препятствующие сплошности контакта накладки с палубой, на который также сильно влияют и неровности на самой палубе. Это обстоятельство требует наличия ровных контактирующих поверхностей и обеспечения достаточно плотного крепления накладок. Применение различных «уплотняющих вставок» в целом проблему не решает – при устранении сквозных продухов сплошность контакта не обеспечивается.

Практика использования на ограждениях из фанеры накладок из гибкого утеплителя (например, из 2-х слоев «Этафома» 150x150x20мм) свидетельствует, что эти накладки дают нестабильные показания от серии к серии, не вызванные ветровой нагрузкой. Тем не менее, накладки такого типа надежно работают на металлических палубах и позволяют выполнять измерения на криволинейных поверхностях, когда значение температуры под накладкой приравнивается к температуре поверхности бетона.

Наблюдения, показали, что плотность контакта поверхностей палубы и накладки, палубы и датчика, имеет большое значение. К дальнейшему исследованию (и оценке точности) были приняты двухслойные накладки 100х100х(40+10)мм - с несущей основой из жёсткого пенополистирола толщиной 30-40мм и мягкой прослойкой «Этафома» толщиной 10мм на границе контакта с палубой. Такая конструкция показала наиболее устойчивую работу в производственных условиях (обеспечивает надёжный контакт датчика с палубой без образования зазоров, в том числе при неровностях палубы или жёсткой части накладки).

Также необходимо отметить, что для целей косвенных измерений под накладками должны использоваться малогабаритные температурные датчики, которые, обеспечивая надёжный контакт с палубой, не препятствуют при этом плотности контакта утепляющей накладки с палубой. Так, например, в экспериментах использовались датчики в гибкой резиновой трубке диаметром 3мм.

Сформулированы аналитические расчётные алгоритмы вычисления температуры бетона. Теоретически установлено количественное и качественное влияние основного дестабилизирующего фактора - скорости ветра на изменение температуры поверхности различных ограждений.

Экспериментально установлены основные факторы, влияющие на точность расчёта температуры бетона, подтверждены случаи возможности корректного аналитического расчёта. Предложена оптимальная конструкция накладки малых размеров, получена экспериментальная корреляционная зависимость пересчёта температуры поверхности палубы в температуру бетона для наиболее распространенных палуб из фанеры и рекомендуемых накладок.

Список литературы

1. Афанасьев П.Г. Инженерная подготовка зимнего бетонирования /Афанасьев П.Г., Ремейко О.А., Комиссаров С.В., Журов Н.Н. // Строительная газета. -2002. -№41 (11 октября), -с.5. и №51 (20 декабря). -с.14.

2. Журов Н.Н. Информационное обеспечение качества ответственных монолитных железобетонных конструкций при зимнем бетонировании / Н.Н. Журов, С.В. Комиссаров, О.А. Ремейко // Справочник Строитель. - 2002. -№6.

3. Комиссаров С.В: Система оперативного технологического обеспечения обогрева и выдерживания ответственных монолитных железобетонных конструкций // Строительные конструкции XXI века: сб. материалов по архитектуре и технологии строительного производства: к Международной научно-практической конференции; Москва, 21-23 ноября 2001г. -М., МГСУ, 2000.

4. Комиссаров С.В. Система температурно-прочностного мониторинга за состоянием бетона при устройстве монолитных конструкций // Обеспечение качества несущих конструкций при всесезонном монолитном домостроении: сб. статей по материалам семинара- совещания «Монолитное домостроение: отечественная и зарубежная опалубка, способы ведения работ»; Москва, 20 апреля 2000г. / Правительство Москвы, Московская лицензионная палата, ГУ «Мосстройлицензия».-М., 2000.

5. Ремейко О. А. Технологическое сопровождение всесезонного монолитного строительства / Ремейко О.А., Журов Н.Н., Виноградов Ю.К. // Обеспечение качества несущих конструкций при всесезонном монолитном домостроении: сборник статей по материалам семинара совещания «Монолитное домостроение: отечественная и зарубежная опалубка, способы ведения работ»; Москва, 20 апреля 2000г. / Правительство Москвы, Московская лицензионная палата, ГУ «Мосстройлицензия». -Москва, 2000.

6. Волков В.Ю. Исследование температурных распределений в стеновой конструкции при обогреве нагревательными проводами: дисс.... магистра; Москва, МГСУ, 2003.