Опыт применения модульного теплового воздействия.

В настоящей статье авторы предпринимают попытку иллюстрации частных, конкретных вопросов применения метода на примере конструктивно сложного объекта.

Опыт применения модульного теплового воздействия. Известны работы, в которых применялись идеи секционированного (в нашей интерпретации – модульного) представления протяженных монолитных конструкций в виде конструктивно отдельных частей (секций) с целью выравнивания температур и напряжений при единовременном бетонировании всей конструкции. Технически это осуществлялось путем организации искусственных «трещин» с помощью укладки профилированных металлических листов с односторонними анкерами. Подобные «трещины», кроме рабочих и деформационных швов, обязательных в протяженных конструкциях, создавались в местах изменения поперечного сечения. При остывании конструкции в этих преднамеренно выбранных местах – концентраторах локализуются растягивающие температурные напряжения и возникают «организованные трещины», которые снимают стесненные деформации. Сами же трещины по окончанию работ иньектируются специальными составами.

Понятно, что применение подобных приемов не избавляет конструкцию от (в данном случае регламентированных) трещин, а тело конструкции (хотя и в обоснованно выбранных местах) в принципе добавляются «инородные» включения в виде затвердевших слоев бетона иного состав и иного времени твердения. Понятно и другое – в данном случае твердение бетона производится в условиях естественного хода температур с применением пассивной термоизоляции, что не всегда благоприятно для создания оптимальной структуры бетона. При этом, даже обжатие внешней силой при наличии трещин не увеличивает сопротивляемость конструкции и все равно, если трещины впоследствии закрываются, ускоряется момент разрушения конструкции.

Именно работам по устранению проблем, связанных с возникновением температурных и усадочных трещин и посвящена эта статья.

Более конкретно целями выполняемых работ являлось:

·снижение (и в последующем устранение) опасности неблагоприятного термонапряженного состояния конструкции блока, уменьшения вероятности возникновения в конструкции поверхностных и внутренних «температурных» пустот и трещин;

·повышение надежности и долговечности конструкции путем применения управляемого теплового режима выдерживания бетона;

·оптимизации энергозатрат.

Кроме того, предполагалось, что, в конечном итоге, при соответствующей организации работ, применяемые тепловые воздействия на бетон должны привести к высокой повторяемости эксплуатационных характеристик от блока к блоку, унификации технологий и независимости процесса производства от климатических условий и достижении ощутимого экономического эффекта.

Дополнительными целями работ являлись:

·расширенное исследование хода температур в масштабе реального времени;

·создание комплексной картины тепловых полей (как плоской, так и объемной) и исследование временного изменения этой картины с целью уточнения расчетной тепловой модели и возможного обратного пересчета (по фактическим данным) термонапряженного состояния для подтверждения благоприятных напряжений и выявления областей конструкции, требующих более тщательного подхода и изучения, соответственно, уточнение требований к геометрии конструкции;

·изучение возможности управления и оптимизации термонапряженного состояния конструкции, которое бы в совокупности с механическим преднапряжением, обеспечивало бы повышенный ресурс конструкции и существенное сокращение времени до разопалубливания;

·уточнение требований «Технологического регламента на производство бетонных работ» и требований к составу бетона;

И совсем уже технологической целью являлась защита твердеющего бетона от переохлаждения в аварийных ситуациях, например, при разрушении ограждающих оболочек – «тепляка» (явление не такое уж редкое).

Описание объекта регулирования.

Рассмотрим значимые с позиций настоящего обсуждения конструктивные особенности надопорного блока.

Объектом регулирования является плита перекрытия представляющая конструкцию переменного сечения, разной массивности и примыкающей к стенам и перемычкам блока так же переменного сечения и разной массивности и, соответственно, разного тепловыделения. В силу конструктивных особенностей плиту можно представить как бы состоящей (в теплофизическом смысле) из отдельных частей (модулей). Эти модули образованы плитами перекрытия коробки с утолщениями зон примыкания (вутами), двух параллельных оси моста, примыкающих к коробке и двум из четырех стен в их верхних частях, плит с утолщениями зон примыкания (вутами), двух перпендикулярных оси моста, примыкающих к коробке и двум из четырех стен в их верхних частях, плит, с утолщениями зон примыкания (вутами).

Согласно проекту конструкции блока высока насыщенность ненапрягаемой арматурой всего блока, а вутов – каналообразователями (до 25% от объема вута). Кроме того, в указанной конструкции тепловые процессы в цепи «стена – вут – консоль» имеют ряд существенных отличий из-за резко отличающихся коэффициентов тепловыделения и теплопотерь. Все это фактически (в теплофизическом смысле) разрывает связь тепловых процессов, происходящих в плите перекрытия, с процессами, происходящими в коробке и стенах. В свою очередь, из-за малой зоны теплового контакта и кардинальных различий в массивности стен и коробки, тепловые процессы в них так же существенно отличаются друг от друга.

В соответствии с приведенным описанием, возникновение в конструкции трещин различной природы без применения мер искусственного совмещения скоростей и мощностей происходящих тепловых процессов, неизбежно. Это же подтвердили и предварительные теплофизические расчеты.

Описание принципа организации модульного теплового воздействия.

Опыт применения модульного теплового воздействия. Для повышения устойчивости процесса регулирования к неблагоприятным внешним воздействующим факторам, включая и возможные отказы аппаратуры, вся система сделана двухуровневой

Предварительная обработка сигналов производится на микропроцессорных измерителях-регуляторах. С этих же регуляторов возможно и ручное управление. Основной процесс управления и регистрации параметров теплового процесса осуществляется автоматически в цифровой вычислительной машине типа ПК.

Дополнительные возможности ручного управления имеются и на силовых блоках (сборках коммутаторов нагрузки).

Визуализация процессов осуществляется на дисплее ПК в виде удобных для пользователя таблиц и графиков. Для оперативного принятия решений на этом же дисплее отражаются и отдельные события в процессе управления как-то: плохое укрытие термоизоляцией, отказы коммутаторов нагрузки, снятие и поступление напряжения питания на обогрев, снятие и подача питания на ПК и т.п., время наступления событий и рекомендации по устранению последствий событий и время их устранения.

Ход температур, работа системы регулирования и регистрация упомянутых событий хранятся в памяти машины и представляются как в ходе процесса, так и после него на бумажном и магнитном носителях.

В системе использован принцип «следящего обогрева», когда температура более «тонких» частей конструкции поддерживается в функции от температуры массивной части с целью создания равных скоростей твердения бетона и создания благоприятного термонапряженного состояния.

Для осуществления наиболее полноценного контроля над температурами в контрольных точках использована специальная схема установки датчиков – так называемый «групповой датчик». Измерение температур производится на трех уровнях – в защитном слое (100 мм – верхнем и нижнем) и в центре конструкции. Таким образом, в данном проекте один датчик анализирует температуру в 2 куб.м. тела твердеющего бетона.

С целью точного воспроизведения функции температуры были проанализированы на базе информационной теоремы В.А.Котельникова возможные частоты опроса датчиков, а с позиций обеспечения устойчивости процесса регулирования определены возможные запаздывания в системе.

Совмещение этих двух позиций анализа привело к необходимости синтеза высокочастотного комплекса.

Предупреждая отдельный анализ указанного, скажем, что введение в практику подобных подходов оказалось чрезвычайно полезным, поскольку позволило по т.н. «температурным шумам» после надлежащей фильтрации выявить картину напряженного состояния бетона, и в силу координатной привязки датчиков предсказать момент появления трещин, усилия растрескивания и место, и характер трещин.

Заметим, что указанные температурные исследования проводились в массивных частях конструкции не охваченных системой регулирования, и дополнительной целью этих исследований являлась оценка влияния местных искусственно вводимых потоков тепла на общую температурную картину.

Кроме того, накопленная информационная база позволила произвести визуализацию температурного процесса путем создания 3D фильма в специальном масштабе времени. Такой фильм впервые позволил воочию увидеть общую связанную тепловую картину тепловых процессов в конструкции и серьезно уточнить технологию изготовления изделия, и определить момент перехода от периода формирования к периоду упрочнения структуры бетона.

Технические решения

Опыт применения модульного теплового воздействия. В качестве обогревателей бетона применена «греющая опалубка» на основе плоских полимерных нагревателей со специальным расположением последних в полостях силового набора опалубки.

Подобное расположение нагревателя преследовало, по крайней мере, следующие цели:

создание равномерного теплового поля по всей поверхности нагревателя и соответствующей поверхности опалубки;
обеспечение условий краевой задачи теплофизического расчета;
перекрестное облучение силовых ребер опалубки для исключения мостиков холода;
минимизация постоянной времени системы «поверхность опалубки – нагреватель», как звена системы автоматического регулирования во избежание значительной автоколебательности процесса обогрева и вообще появления неустойчивости регулирования.

Опыт применения модульного теплового воздействия. Одновременное решение перечисленных задач представляет собой сложную проблему и требует отдельного обсуждения. Здесь же укажем, что основные вопросы создания подобного элемента были успешно решены и выработаны критерии, позволившие в дальнейшем создавать греющие поверхности и иных видах нагревателей.

В качестве термодатчиков применены термометры сопротивления типа ТС различных конструктивных исполнений, как удовлетворяющие требованиям по точности, по надежности и по быстродействию. Но самое главное заключается в том, что эти датчики обладают малым выходным сопротивлением (примерно 50 Ом), что благоприятно сказывается на решении проблемы помехозащищенности системы в условиях воздействия индустриальных электромагнитных помех.

Сами регуляторы созданы на базе микропроцессорных терморегуляторов типа ТРМ (разработка и поставка фирмы «Овен» г. Москва). Регулятор ТРМ представляет собой восьми входной и восьми выходной, программируемый как вручную, так и по внешней цепи обмена прибор. ТРМ имеет возможность автоматической компенсации погрешностей линии измерений, внутренним осреднением результатов измерений и фильтром сигналов.

Специально разработанные простейшие линии связи «датчик температуры – ТРМ» позволили осуществлять (с учетом всех мыслимых помех и внешних воздействий) связь на расстояние до 500 метров без потери точности и быстродействия. Конструктивно ТРМ объединены через промежуточный усилитель мощности с исполнительными элементами – магнитными пускателями типа МП 4 класса (как самыми надежными в своем классе) с защитой по току коммутации и сигнальными контактными группами. Контактные группы используются для анализа состояния системы.

Объединение осуществлено в специальных сборках (СКПУ – авторская разработка), представляющих собой корпус с необходимыми установочными местами, внутренней кабельной (силовой и информационной) сетью и соединителями.

Сборка рассчитана на подключение 32 входов и выходов. В СКПУ смонтированы также необходимые помехозащищающие фильтры.

Связь с вычислительной машиной по линии «СКПУ – машина» осуществляется по специально выделенным кабелям по схеме «токовая петля» через адаптер сети – АС (разработка и поставка фирмы «Овен» г. Москва).

Дальность связи до одного километра. Количество обслуживаемых одновременно СКПУ от одного адаптера – 8 СКПУ (256 датчиков). Схемотехнические решения и программное обеспечение позволяет одновременно работать с 64-мя СКПУ.

Пост управления в составе: вычислительная машина, мышь, монитор, клавиатура и принтер расположен в сухом отапливаемом помещении. Специальных требований к исполнению аппаратуры (например, промышленное исполнение, специальные требования к влаго защищенности и т.п.) как показал длительный опыт эксплуатации подобных систем - не требуется, что серьезно снижает стоимость оборудования и позволяет использовать ПК из имеющегося в распоряжении эксплуатанта парка ПК.

Требования к быстродействию ПК не велики и вполне возможно обойтись при умеренной информационной нагрузке (до 256 каналов) любым ПК, имеющимся в продаже. Авторы имеют опыт организации систем вообще на очень древних ПК – типа 486. Разумеется, что управляющие возможности в таких случаях ограничены и подобные решения возможны только в несложных системах. Для отображения графической информации ПК должен обладать простой видео картой, совместимой с комплектующим пост монитором. При длительном архивировании данных процессов желательно иметь жесткий диск с объемом памяти не менее 10Гб, что по современным представлениям тоже не является серьезным требованием.

Остальные характеристики ПК, как управляющей машины выходят за содержание настоящей статьи и будут рассмотрены отдельно. Здесь же скажем, что комплексный анализ всех проблем и соответствующий подбор временных характеристик позволил осуществить в описываемой установке минимальные времена запаздывания, приблизить функцию управления к линейной без значительных перерегулирований и колебательности и обеспечить высокую точность стабилизации температуры и отсутствие так называемой скоростной ошибки системы.

Результаты

Опыт применения модульного теплового воздействия. Бетон, как материал, представляет собой в термодинамическом смысле анизотропную среду. Тем более это утверждение распространяется и на конструкции из бетона. Здесь образуются в силу одновременно действующих различных причин тепло потоки разной мощности, разной направленности и разной скорости распространения. В итоге, в процессе твердения бетона в конструкции наблюдается неравновесное энергетическое состояние и, следовательно, наличие внутренней работы, которая приводит к возникновению внутренних напряжений даже при благоприятных внешних условиях. Изменение напряжений в процессе их выравнивания приводит к высвобождению механической энергии (что при неблагоприятных обстоятельствах, как правило, проявляется в виде трещин) и сопровождающих это выделение электромагнитной эмиссии, акустической эмиссии и дополнительной тепловой эмиссии (тепловых шумов). Кроме того, на начальной стадии процесса твердения (индукционный период, период схватывания) твердеющий бетон представляет собой полиионный электролит, что приводит к внутренней генерации ЭДС, которая может быть использована для контроля этой стадии твердения и при определенных обстоятельствах для оперативного контроля производственного состава бетона. Однако, в настоящей работе авторы ограничились только определением и изучением дополнительной тепловой эмиссии, как наиболее отвечающей поставленным целям.

Анализ данных тепловых процессов в перекрытии показал:

·температура в относительно тонкостенных, удаленных частях конструкции соответствует температуре массивного центра на всех стадиях твердения бетона – подъем температуры, экзотермический максимум, стадия остывания. Разница температур не превышает 3,5 град.С. во всех сечениях. Кроме того, за счет работы системы удалось практически совместить моменты наступления максимума экзотермии вдоль линии бетонирования. При времени бетонирования 12 час., отличия во времени наступления максимума экзотермической температуры в последнем этапе бетонирования от первого не превысили 3.5 час., при этом состав бетона в процессе бетонирования не менялся. Среднее время наступления максимальной температуры экзотермии составило 36 час. и соответствовало расчетному времени. Таким образом, можно считать, что все части конструкции твердели одновременно. При суточном размахе кривой хода температур окружающей среды 22 град.С. никакого влияния на твердеющей бетон не обнаружено. Не обнаружено так же и влияние солнечной инсоляции. Исследования показали полное отсутствие влияния работающей системы на тепловые процессы в сопрягаемых частях конструкции, не охваченных системой.

·Специальная обработка сигналов термодатчиков показала, что флюктуации температур отсутствуют, т.е. отсутствуют внутренние нерасчетные напряжения и конструкция перекрытия однородна. Это же подтвердили и осмотр конструкции (полное отсутствие всех видов трещин, включая усадочные) и многочисленные контрольные испытания, правда, методом неразрушающего контроля.

При анализе режимов работы системы не установлено наличие скоростной (динамической) ошибки, т.е., изменение температуры отслеживалось без запаздывания. В ходе работ на безопасном участке были проимитированы отказы системы. Система показала свою высокую живучесть – отсутствие управления в течение десяти часов (по нашим представлениям предельное время для восстановления работоспособности при крупной аварии или обесточивании участка) не привело к заметному искажению результатов работы. Система полностью согласовалась за 6 час. работы (при отсутствии экзотермии и начальном рассогласовании порядка 7 град.С). При этом согласование произошло по апериодическому закону и забросы – провалы (перерегулирование) температур отсутствуют. Это демонстрирует большие динамические запасы в системе и её устойчивость в целом. Сам факт наступления события был зарегистрирован как на дисплее монитора, так и нашел отражение в автоматическом протоколе ухода за бетоном.

Что же касается термоэмиссии (тепловых шумов), то в массивных частях (коробке), не охваченных системой, выявлено неблагоприятное состояние бетона в процессе твердения (фиг.5). Подобный «неспокойный» вид хода температур, сопровождающийся всплесками, характеризует возникающие напряжения в теле бетона. В конечном итоге происходит накопление напряжений (правая часть графика), которые приводят к образованию трещин. Указанные трещины были зафиксированы при внешнем осмотре (фиг.6). Координаты совпали с результатами дешифровки термограмм. Растягивающие усилия, рассчитанные по показаниям температурных датчиков, составляют 3000 т. (по данным расчета ЦЛИТ ЦНИИС, полученным в рабочем порядке, - 3 500 т.). Таким образом, на практике подтверждена возможность оперативного анализа состояния бетонируемой конструкции и возможность принятия оперативных мер для ликвидации чрезвычайных ситуаций. Кроме того, появилась реальная возможность расчета локальных внутренних напряжений с целью прогноза состояния конструкции с выдачей паспорта изделия.

Удельные энергозатраты составили 27,3 кВтчас/куб.м., что в два раза лучше достигнутых показателей в промышленности при применении иных методов управления термоопалубкой и в шесть – семь раз лучше, чем при применении обогрева в тепляках.Убедительным оказались недостаточность рекомендаций современной нормативной документации о формировании протокола ухода за бетоном – регистрация температуры один раз в два - четыре часа и установка одного датчика температуры на 3 куб.м. бетона или на 30 – 70 кв.м. поверхности. В подобных случаях резко снижается информативность, и практически сводятся к нулю возможности оперативного вмешательства в ситуацию и управления ею. Выход из создавшегося положения видится в развитии обсуждаемого метода и более широкого включения в процесс управления вычислительных управляющих средств.

Заключение

Опыт применения модульного теплового воздействия. Задачи, которые возлагались на комплект, решены полностью:

·созданы оптимальные температурные поля в бетонной конструкции в процессе твердения бетона;

·совмещены экзотермические максимумы температур, скорости набора температур и скорости спада, как вдоль направления бетонирования, так и в поперечном направлении. Это позволяет рассматривать объемную конструкцию как единое целое, построенную без неблагоприятных термонапряжений;

·комплект обеспечил отслеживание указанных температур без динамической (скоростной) ошибки;

·в результате получена конструкция высокого качества, что подтверждено существующими методами контроля качества и сравнительно длительной эксплуатацией блока

·определена и подтверждена экономическая целесообразность применения метода;

·по результатам обработки данных полученных в ходе строительства произведена коррекция «Технологического регламента …».

Дополнительные научные данные, изученные в ходе работ, позволяют сформулировать утверждение, что активное управление потоками тепла имеет определенные преимущества перед традиционными способами ухода за бетоном в условиях монолитного строительства.

Кроме того, можно с уверенностью утверждать, что благодаря методологическому подходу появляются условия и возможности для создания процесса управления формированием свойств бетонной конструкции, включая предварительное нормированное термонапряженное состояние.

Высокая информативность метода и автоматизация процессов управления обеспечивает, в свою очередь, высокую повторяемость свойств бетона от конструкции к конструкции, утверждая и гарантируя устойчивость и стабильность технологии строительства.

Практически реализован многокомпонентный измерительный, информационный, управляющий и анализирующий комплекс, идеи которого смыкаются с идеями создания «квазинейроструктуры» контроля и управления качеством строительства – идеями, которые в последнее время обозначились на научном поле.

Юридический адрес:	142191, г. Москва, г. Троицк, ул. Нагорная, д. 5, помещение V, к. 11
Веб-сайт:	www.cobeton.ru