10877

ПТО РААСН

_________________________________________________________________________________

В условиях отсутствия или ограниченности статистической информации использование возможностей компьютерного моделирования деградационных процессов приобретает особую значимость. Моделирование этих сложных процессов является, повидимому, в настоящее время и в обозримом будущем основным средством оценки срока службы железобетонных конструкций инженерных сооружений.

Математическое моделирование призвано обеспечить связь с результатами испытаний лабораторных образцов и данными обследований натурных конструкций, которые являются основным элементом гарантии надежности и безопасности; оно является также основным средством прогнозирования во времени характера воздействия окружающей среды и механических нагружений на механические характеристики железобетона и изменение качества железобетонных конструкций из-за развития в них повреждений.

Решение этих задач в отношении транспортных сооружений может быть рассмотрено путем:

изучения и анализа природы процессов и механизмов образования повреждений на основе достижений теории коррозии бетона и арматуры;

разработки прикладных методов и программ моделирования деградационных процессов, опирающихся на статистические данные о параметрах этих процессов;

развитие инженерных методов расчета и прогнозирования долговечности конструкций на базе математических моделей деградационных процессов, в том числе с учетом напряженно-деформированного состояния и его изменения при коррозионных процессах. Корректное отображение в расчетных процедурах реальных условий эксплуатации позволит повысить безопасность их эксплуатации, отыскать более эффективное решение инженерных сооружений.

При изучении различных сторон проблемы оценки и прогноза долговечности железобетонных конструкций можно выделить следующие вопросы:

определения, понятия или формулировки, критерии, применяемые в анализе задач долговечности;

общие расчетные схемы, характеристики долговечности железобетонных конструкций, начальный период эксплуатации, период нормальной эксплуатации сооружений;

теоретические предпосылки и общие модели долговечности, расчетные схемы сооружений, используемые при анализе долговечности, особенно с учетом деструктурирующего влияния агрессивной окружающей среды.

Библиография

1.Алмазов В.О. Современные подходы к оценке долговечности железобетонных конструкций / В.О. Алмазов, А.В. Забегаев // Строительство и реконструкция. – 1999.

2.Бондаренко В.М. Некоторые вопросы развития теории железобетона / [В.М. Бондаренко и др.]. – Орел: Изд-во Орлов. гос. техн. ун-та. – 2012. - №4.

3.Гаджиев М.А., Алаева С.М. Оценка точности упрощенных диаграмм Евростандартов при исследовании несущей способности железобетонных колонн // Вестник Азербайджанской инженерной академии, 2012. Т. 4. №1. – С. 65-79.

4.Гарибов Р.Б. Основы проектирования долговечных железобетонных конструкций / Р.Б. Гарибов // Актуальные вопросы строительства: материалы Междунар. науч.- техн. конф. – Саранск, 2005. – С. 399-404.

5.Колмогоров А.Г., Плевков В.С. Расчет железобетонных конструкций по российским и зарубежным нормам: учебное пособие. – М.: Изд-во АСВ, 2014. – 512 с.

_________________________________________________________________________________

ПТО РААСН

_________________________________________________________________________________

6.Мигунов В.Н. Проектирование строительства и реконструкции зданий и сооружений, эксплуатирующихся в агрессивных средах / В.Н. Мигунов, Р.Б. Гарибов, С.Н. Степанов и др. // Учебное пособие. Саратов. ИЦ «Рата». 2008. 151 с.

7.Мигунов В.Н., Овчинников И.И., Овчинников И.Г. Экспериментальнотеоретическое моделирование армированных конструкций в условиях коррозии. Пенза, ПГУАС, 2014. 352 с.

8.Овчинников И.Г., Петров В.В. Определение долговечности элементов конструкций, взаимодействующих с агрессивной средой // Строительная механика и расчет сооружений. – 1982. – №2. – С. 13-18.

9.Овчинников И.И., Мигунов В.Н., Овчинников И.Г. Моделирование кинетики деформирования армированных конструкций в специальных эксплуатационных средах. Пенза, ПГУАС, 2014. 280 с.

10.Овчинников И.И., Овчинников И.Г. Идентификация и верификация моделей коррозионных и деформационных процессов. Саратов: СГТУ, 2014. 164 с.

_________________________________________________________________________________

164 Вестник ПТО РААСН, выпуск 21

ПТО РААСН

_________________________________________________________________________________

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ НЕЛИНЕЙНОЙ ФИЛЬТРАЦИИ В ПЕСЧАНЫХ ГРУНТАХ

В.А. ШАБАНОВ _____________________________________________________________

Решение таких задач, как устойчивость земляных, бетонных и иных плотин, фильтрация из каналов, положение уровня грунтовых вод после постройки каналов, орошение и осушение почвы открытыми каналами, дренаж и т. д. невозможно без знания условий движения грунтового потока. Исследование фильтрационных потоков в различных средах, в различных сооружениях при различных начальных и граничных условиях опубликовано в классических трудах [1],[2].

Кроме знания движения фильтрационных потоков при проектировании грунтовых плотин и подобных сооружений, требуется исследование фильтрационной прочности грунтов тела плотин, что предусмотрено строительными нормами и правилами [3].

Пункт 9.5 норм требует: «Фильтрационную устойчивость тела плотины, а также противофильтрационных устройств оценивают на основе соответствующих расчетов и экспериментальных исследований грунтов при действующих в сооружении градиентах напора с учетом напряженно-деформированного состояния сооружения и его основания, особенностей конструкции, методов возведения и условий эксплуатации». При этом предлагается рассматривать усредненные значения градиентов.

Нами выполнены теоретические исследования [4],[5] и проведены эксперименты [6] по изучению процесса инфильтрации вязкой жидкости в пористую среду при переменном напоре.

В статье приведены результаты экспериментального исследования влияния переменных градиентов на фильтрационные показатели песчаных грунтов.

Для исследования влияния переменного напора, обозначим его как фактор А, на фильтрационные характеристики песков была проведена серия опытов на экспериментальных стендах, внешний вид которых показан на рис. 1.

Рис. 1. Схема экспериментального стенда: 1-монтажная площадка; 2-отверстия для установки трубок;

3-стеклянная трубка с песком; 4-шкала для контроля уровня воды; 5- гибкий шланг для подачи воды в стеклянную трубку; 6-шприц

_________________________________________________________________________________

ПТО РААСН

_________________________________________________________________________________

Экспериментальный стенд представляет собой монтажную площадку, имеющую пять отверстий для установки стеклянных трубок, со шкалой для контроля уровня воды.

На днище стеклянной трубки (рис. 2) с внутренним диаметром 13 мм устанавливается мелкая металлическая сетка, предотвращающая высыпание песка, уложенного и уплотненного потряхиванием и постукиванием на высоту 50 мм.

Эксперимент включал в себя проведение трех опытов, каждый из которых заключался в наполнении стеклянных трубок различным уровнем воды, градиенты которого представлены ниже:

Рис. 2. Стеклянная трубка с песком

С помощью шприца через гибкие трубки вода подавалась последовательно в каждую из пяти стеклянных трубок. Время заполнения водой изменялось незначительно и потому не учитывалось в дальнейшем.

В качестве исследуемой величины выбрано время просачивания воды через песок. Опыты проводились 7 раз на протяжении трех недель. Для повышения точности данных, последовательность выполнения опытов выбиралась произвольно с помощью генератора случайных чисел.

Сводная матрица откликов Y представлена ниже.

Анализ матрицы показывает, что она обладает особым свойством – ее строки и столбцы являются возрастающими (неубывающими). Это может свидетельствовать о

_________________________________________________________________________________

166 Вестник ПТО РААСН, выпуск 21

ПТО РААСН

_________________________________________________________________________________

том, что на результаты опытов может оказать влияние некоторый неучтенный фактор (фактор В)[7].

Предположим теперь, что на результаты опытов влияют два фактора – высота слоя жидкости (фактор А) и номер опыта (фактор В). Т.е. фактически имел место двухфакторный эксперимент.

Для поверки этой гипотезы проведем двухфакторный дисперсионный анализ матрицы откликов в системе MATLAB 6.5.

Итоговая таблица дисперсионного анализа данных эксперимента по изучению времени просачивания жидкости через конечную толщу песка при различных начальных напорах приведена ниже.

Обозначения в таблице стандартные для дисперсионного анализа.

ANOVA Table

Как видно из таблицы, значимо отличаются столбцы (фактор А) и строки (фактор

В).

Влияние взаимодействия факторов (Interaction AB) пренебрежимо мало.

В общем случае, отклики можно аппроксимировать полиномом второго порядка от переменных А и В вида (по MathCAD’у) - А В АА ВВ.

Анализируя любой столбец и зная, что изменения по строкам зависят только от фактора В, причем зависят нелинейно.

Теперь полином будет иметь вид А В ВВ.

Коэффициенты полинома и их 95% доверительные интервалы представлены в таблице 2.

_________________________________________________________________________________

ПТО РААСН

_________________________________________________________________________________

Библиография

1.Полубаринова-Кочина П. Я. Теория движения грунтовых вод. -М.: Наука, 1978.

2.Лейбензон Л.С. Движение природных жидкостей и газов в природной среде. М- Л. Гостехпрофиздат. 1947. 244 с.

3.Свод правил СП 39.13330.2012 «СНиП 2.06.05-84* Плотины из грунтовых материалов» (утв. приказом Министерства регионального развития РФ от 29 декабря

2011 г. N 635/18)

4.Шабанов В.А. Проникновение конечного объема жидкости в пористую среду// Актуальные проблемы в строительстве и архитектуре. Образование. Наука. Практика: материалы 63-й Всероссийской науч.– техн. конф. по итогам НИР СГАСУ за 2005 г. СГАСУ; под ред. Н.Г. Чуманенко. Самара, 2006. С. 292-293.

5.Шабанов В.А. Проникновение вязкой жидкости в грунт при ее проливе на поверхность// Актуальные проблемы в строительстве и архитектуре. Образование. Наука. Практика: материалы 64-й Всероссийской науч.–техн. конф. по итогам НИР ун-та за 2006 г. СГАСУ. Самара, вязкой. С. 361.

6.Шабанов В.А., Михасек А.А. Экспериментальное исследование проникновения вязкой жидкости в пористую среду. Известия высших учебных заведений. Строительство. 2006. № 11-12.

7.Шаффе Г. Дисперсионный анализ. Физматгиз. 1963 г., 628 с.

_________________________________________________________________________________

168 Вестник ПТО РААСН, выпуск 21

ПТО РААСН

_________________________________________________________________________________

ИССЛЕДОВАНИЕ ЗАКОНОМЕРНОСТЕЙ ПЕРЕНОСА ВОДЯНОГО ПАРА ЧЕРЕЗ ОГРАЖДЕНИЕ НА МОДЕЛЬНЫХ ОБРАЗЦАХ

В.Н. КУПРИЯНОВ, А.М. ЮЗМУХАМЕТОВ, И.Ш. САФИН _________________________

Исследованию паропроницаемости ограждающих конструкций посвящено большое количество работ [1-10]. Однако многие аспекты этого процесса остаются неизученными. Одним из сдерживающих факторов является длительность процесса переноса водяного пара через ограждающую конструкцию для установления стационарного режима. Ускорение процесса паропроницания и установления стационарного режима переноса водяного пара через ограждения может быть достигнуто испытанием модельных

образцов с низкими значениями сопротивлений паропроницанию ограждений - Rпо

(м2·ч·Па)/мг.

Схемы модельных образцов представлены на рис. 1.

Рис. 1. Схемы модельных образцов ограждающих конструкций а) три слоя минеральной ваты по 50 мм (ρ=90 кг/м3, λ=0,045 Вт/(м·ºС), μ=0,5 мг/(м·ч·Па)); б) то

же с наружной штукатуркой из цементно-песчаного раствора (ρ=1580 кг/м3, λ=0,93 Вт/(м·ºС), μ=0,09 мг/(м·ч·Па); в) то же с внутренним слоем из гипсокартона (ρ=704 кг/м3, λ=0,21Вт/(м·ºС), μ=0,075мг/(м·ч·Па))

Эксперимент выполнен на разработанной и созданной установке на базе бытового морозильника, позволяющего получать температуры до -23 ºС. Схема и фотография экспериментальной установки приведены на рис. 2.

Температуры и относительные влажности воздуха в процессе испытаний фиксировались измерительным комплексом «Терем3.2», датчики которого (ДТГ-2.0) устанавливались между материальными слоями и на наружных поверхностях модельных образцов. Значения показателей каждые 10 минут через адаптер передаются на компьютер для обработки результатов.

На рис. 3 приведена динамика изменения температуры и относительной влажности воздуха по сечениям модельного образца (образец «в» по рис.1, как имеющий наибольшую величину Rпо).

_________________________________________________________________________________

ПТО РААСН

_________________________________________________________________________________

а)

б)

Рис. 2. Схема (а) и фотографии (б) экспериментальной установки:

1 – испытуемый образец; 2 – холодильная камера; 3 – теплоизоляционный короб; 4 – датчик температуры прибора ИТП-МГ4.03-10 «Поток»; 5 – датчик температуры и относи-

тельной влажности ДТГ-2.0; 6 – датчик теплового потока прибора ИТП-МГ4.03-10 «Поток»; 7 – модуль программируемый и электронный блок прибора ИТП-МГ4.03-10 «Поток»; 8 – регистратор температуры и относительной влажности многоканальный «Терем-3.2»; 9 – переносной персональный компьютер; 10 – теплая гигрокамера с габаритами 520 х 720 х 1220 мм; 11 – реле влажности; 12 – ультразвуковой увлажнитель воздуха

Температуры и относительные влажности воздуха в процессе испытаний фиксировались измерительным комплексом «Терем3.2», датчики которого (ДТГ-2.0) устанавливались между материальными слоями и на наружных поверхностях модельных об-

_________________________________________________________________________________

170 Вестник ПТО РААСН, выпуск 21

ПТО РААСН

_________________________________________________________________________________

разцов. Значения показателей каждые 10 минут через адаптер передаются на компьютер для обработки результатов.

На рис. 3 приведена динамика изменения температуры и относительной влажности воздуха по сечениям модельного образца (образец «в» по рис.1, как имеющий наибольшую величину Rпо).

а)

б)

Рис. 3. Динамика изменений температуры (а) и относительной влажности воздуха (б) по сечениям модельного ограждения (по рис. 1в при φв=51,6 %)

Из рис. 3 видно, что процесс выходит на стационарный режим по температуре через 10 часов с начала эксперимента, а по относительной влажности воздуха – через 25 часов.

_________________________________________________________________________________

ПТО РААСН

_________________________________________________________________________________

Дальнейший анализ закономерностей переноса водяного пара через ограждение выполнен по прошествии 25 часов от начала эксперимента.

Известно, что для помещений различного назначения устанавливается различный режим влажности воздуха: от сухого, где φ менее 50%, до мокрого, где φ свыше 75% (табл.1 СП50.13330.2012 «Тепловая защита зданий»). В соответствии с этим при оптимальных значениях температур внутреннего воздуха в помещениях формируется различный уровень парциальных давлений водяного пара – ев и в соответствии с формулой

устанавливается различный поток водяного пара через ограждение.

Различный поток водяного пара неминуемо должен отразится на влажностном состоянии ограждения, что и представлено на рис. 4.

Рис. 4. Влияние влажности воздуха в помещении (φв, %) на влажностное состояние модельных образцов (конструкция «а» по рис. 1)

расчѐт по методу К.Ф. Фокина, эксперимент

Анализ результатов, представленных на рис. 4, позволяет выявить ряд закономерностей.

Впомещениях с «сухим» климатом (φв=20 %) относительная влажность в порах материалов испытанных образцов нарастает монотонно от внутренней поверхности к наружной. Наибольшая влажность формируется в сечении 2-3 при расчетном методе, а по эксперименту – на наружной поверхности образца ограждения.

Впомещениях с нормальным режимом влажности (φв=50 %) повышенная влажность устанавливается в сечении 2-3 как по расчету, так и по эксперименту. Причем по

расчету в этом сечении возникает плоскость конденсации (φ2-3=100 %), но результаты эксперимента этого не подтверждают.

Впомещениях с «мокрым» климатом (φв=88 %) максимальная влажность отмечается в двух сечениях 1-2 и 2-3, то есть возникает зона конденсации (φ1-2 и φ2-3 =100 %). Причем в этом случае результаты расчета совпадают с экспериментальными данными.

По завершению эксперимента образцы разбирались, взвешивался каждый слой и определялась весовая влажность отдельных слоев W, %. Результаты по весовой влажности отдельных слоев приведены на рис. 4б и 4в. Можно видеть, что наружный слой образца имеет влажность на много превышающую допустимое приращение в 3%, приведенное в таблице 10 СП50.13330.2012 для минераловатных изделий.

_________________________________________________________________________________

172 Вестник ПТО РААСН, выпуск 21