CC BY
1
УДК 624.04
doi: 10.55287/22275398_2023_1_55
ОПРЕДЕЛЕНИЕ ТЕМПЕРАТУРНЫХ ПОЛЕЙ И НАПРЯЖЕНИЯ ПРИ ВОЗВЕДЕНИИ МАССИВНЫХ МОНОЛИТНЫХ ФУНДАМЕНТОВ ПОД ВЕТРОГЕНЕРАТОРЫ
Д. А. Зоалкфл А. Т. Угрехелидзе Е. Н. Пищеренко
Донской государственный технический университет, г. Ростов-на-Дону
Аннотация
При бетонировании монолитных железобетонных конструкций существует риск трещинообразования за счёт несоблюдения темпера-турно-влажностного режима, в связи с чем имеет актуальность изучение и улучшения алгоритмов расчета температурных полей в ранний период возведения железобетонных конструкций.
Ключевые слова
фундамент, температурные поля, нагрев, напряжения
Дата поступления в редакцию
19.01.2023
Дата принятия к печати
23.01.2023
О
ей
1-
и
-Q
с;
ш
1-
S
О
CL
1-
и 5
О
Z
М
О
-1
М
Э
СО
0 *
1 : ш ■
Введение II к
ш 5
При бетонировании массивных железобетонных конструкций возникают экзотермические ^ щ
реакции твердения бетона, способные привести к неравномерному распределению температур ^
в ядре железобетонной конструкции и на его поверхности, что в свою очередь может привести
Существует большое количество литературы, посвященной регулированию температурного
к а с
к образованию трещин и уменьшению эксплуатационных качеств конструкции. щ I
е s
m5 s
режима твердения массивных железобетонных конструкций. q {й
В статье [1] рассмотрена оценка некоторых методик для расчета температурных напряжений [Е ®
при бетонировании массивных железобетонных фундаментных плит. В [2] изложено исследование ^
влияния некоторых технологических факторов на качество бетона монолитных железобетонных cl q,
конструкций. В статье [3] рассмотрено моделирование нестационарных температурных полей при ^ jg
конструировании массивных железобетонных фундаментов. В статьях [4] - [6] рассматриваются Н щ
методики расчета температурных напряжений при бетонировании массивных железобетонных ^ ¡£
фундаментных плит. В статье [7] дается информация о влиянии некоторых технологических фак- ^ н
9 щ
торов на качество бетона монолитных железобетонных конструкций. s
В работе [8] рассмотрен вопрос моделирования температурных напряжений при бетониро- < ®
вании массивных железобетонных плит. В частности, рассматривается расчет температурных го §
■ <и < а . с НО
полей с учетом кинетики тепловыделения бетона, условий теплообмена и температуры окружающей среды:
Для определения температурного поля, обратимся к дифференциальному уравнению теплопроводности:
где X — коэффициент теплопроводности, Т — температура, Q — плотность внутренних источников тепловыделений, р - плотность материала, С — удельная теплоемкость, £—время.
При наличии конвективного теплообмена с окружающей средой (на верхней и боковых поверхностях фундамента) граничные условия записываются в виде:
где П — нормаль к поверхности, И — коэффициент теплоотдачи, Т— температура среды.
Согласно «Р НОСТРОЙ 2.6.17-2016 Рекомендации Организация и производство бетонных работ в зимний период» [9] методика решения задач заключается в следующем:
При несоблюдении технологии выдерживания бетона, особенно на начальном периоде, могут возникать температурные напряжения, которые при превышении нормативных значений могут привести к трещинообразованию в бетонной конструкции. Основные параметры, оказывающие влияние на температурные напряжения приведены ниже:
• изменение температуры по сечению бетона конструкции;
• скорость нагрева и остывания бетона;
• разность температур наружного воздуха и бетона при распалубке. Условием допустимого уровня напряжений является [10]:
с
<1, (3)
КЬ«
где — температурные напряжения в бетоне в текущий момент времени, Кьи — расчётное сопротивление бетона на осевое растяжение по II группе предельных состояний.
Скорость нагрева бетона принимается для конструкций с модулем поверхности, показана в таблице 1:
Таблица 1
Скорость нагрева бетона принимается для конструкций с модулем поверхности
Модуль поверхности м-1 Скорость нагрева бетона, °С / час
до 5 5
5 ... 10 10
Свыше 10 15
При этом, при тепловой обработке стыков, скорость подъема температуры бетона не должна превышать 20 °С / час.
При быстром расширении образующихся паров воды в бетоне возникает внутренне давление, которое в свою очередь, приводит к температурным деформациям бетона. Также в массивных конструкциях возможно образование движения влаги за счет температурных перепадов, что в свою очередь приводит к избыточному давлению, которое негативно сказывается на бетоне.
Скорость остывания бетона принимается для конструкций с модулем поверхности, показана в таблице 2:
Таблица 2
Скорость остывания бетона принимается для конструкций с модулем поверхности
Модуль поверхности м-1 Скорость нагрева бетона, °С / час
до 5 5
5 ... 10 10
Свыше 10 20
Температурные напряжения возникают в результате сжатия поверхностных слоев бетона при охлаждении, и противодействия им более нагретыми (внутренними) слоями, а также образовавшейся структурой бетона, что вызывает ограничения по скорости остывания бетона.
Максимальный температурный перепад между поверхностью и ядром бетона конструкции зависит от параметров армирования конструкции и текущей прочности бетона и не должен превышать значений, взятых по рисунку 1.
Рис. 1. Допустимый перепад температуры по сечению бетона
Для недопущения образования опасных температурных напряжений в теле бетона необходимо не допускать превышение вышеупомянутых значений, способных, при превышении, привести к трещинообразованию бетона и понижению долговечности конструкции.
Расчет
В данной статье рассматривается расчет четверти железобетонного фундамента под ветроге-нератор, моделируемого совместно с грунтовым массивом, грунтовый массив относительно фун-
г
м О
-I
м
Э СО
0 *
1 : о. *
Б <и
* !
га
ш I
Ш .5
ГО
<и
а Е
5 О
с; с
ш X
X 2 ^ 1
* ! и-а
^ <и
«I
<и н
<и
I
<и
и
■ <и < а . с СЮ
с; ©
с; <
о
ГО
дамента выступает на 6 м. Габариты (в мм) рассматриваемой части фундамента совместно с грунтовым массивом представлены на рисунке 2.
?8Ч1>
15000
Рис. 2. Габариты четверти фундамента совместно с грунтовым массивом
Производится расчет на возникновение напряжений в теле фундамента из-за негативного влияния разности температур, возникающих во время заливки бетона и последующего его твердения на начальной стадии.
Расчет разности температур при одновременном бетонировании всего объема фундамента проводится в программном комплексе ЛЫ8У8. В расчете используются объемные конечные элементы в виде тетраэдров.
Теплофизические характеристики фундаментной плиты и грунтового массива приведены на рисунках 3, 4.
А В с О Е
1 РгореПу Чдкл ит М
2 ^ Магега! Р|еИ Уа-вЫм 3 ТаЫе
3 ^ Оепагу 2500 кд тл-3 ¿1 я и
4 0 ^ 1я)(гсрс Бесаггё СоеАюеггё с^ ТЬеппа! Ехрапэол
5 СоеАгаеги of ТЪегта( Ехрапаол 1Е-05 Сл-1 ш
б 0 ^ Ьой-орк Вв5Ьа{у в
7 С>етус Лот Уоипд'в МОААЙ вод Рая - А
в Уоьпд'з МоА^ ЭЕ+10 Ра
9 Раяоп'зЯаЬо 0,2 ¿1
10 Вик МоЪикй 1.6667Е+Ю Ра А
11 1.25Е+10 Ра А
12 ^ 15о»горк ТЬегта! СолйиеНуЛу 2,67 в А
13 Й ЗрввЯеНмЮопйиЛЙгмяиг», С^ 1000 и А
Рис. 3. Фундаментная плита
Рис. 4. Грунт
Коэффициент теплоотдачи на верхней поверхности фундамента принят равным 25. В результате расчета получен график изменения во времени максимального перепада температур между серединой и поверхностью конструкции. Результаты представлены на рисунке 5.
Рис. 5. График изменения во времени максимального перепада температур между серединой и поверхностью конструкции
На данном графике видно, что разность температур бетона на поверхности фундамента и его середине с течением времени увеличивается и достигает значений способных вызвать напряжения, способствующие образованию трещин в железобетонной конструкции.
Для уменьшения разности температур предлагается добавить 20 мм теплоизоляции из экс-трудированного пенополистирола под фундаментом, а также понизить значение коэффициента теплоотдачи на верхних слоях фундамента с 25 до 2.
Теплофизические показатели экструдированного пенополистирола приведены на рисунке 6.
А В С D Е
1 Properly Value Unrt Я ЧЭ
2 Й Material Field Variables □ Table
3 Й Densrtv 35 кдтл'3 В В
4 0 Isotropic Secant Coefficient of Thermal Expansion П
5 Й Coefficient of Thermal Expansion IE-05 CA-1 в
6 0 Й Isotropic Elasticity в
7 Oenvefrom Voung's Modulus and Potsso...
8 Yotng's Modulus 2E+07 Pa » в
9 Poisson's Ratio 0,2 в
10 Sulk Modulus 1,111 IE+07 Pa в
11 Shear Modulus 8,3333E+06 Pa в
12 ^ Isotropic Thermal Conductivity 0,033 wnMCM — в в
13 Specific Heat Constant Pressue, Cs 1450 JkgA-lCA-l zJ в в
Рис. 6. Экструдированный пенополистирол
Габариты и расположение добавленного слоя показаны на рисунке 7.
Рис. 7 см. на следующей странице
и
Z м
О
-I
м
D CD
0 *
1 : о. *
Б а
s £ * &
га
ш I
, S
ш >s
го
(U
а 5
S о
с; с
ш X
X 2 % 1
* ! I- Q
^ <и
«I
(U н
<и
S I
(U
ц
и
■ и
< а . с СЮ
с; ©
с; <
о
го
Рис. 7. Габариты четверти фундамента совместно с экструдированным пенополистиролом и грунтовым массивом
Итог расчета приведен на рисунке 8.
Рис. 8. График изменения во времени максимального перепада температур между серединой и поверхностью конструкции при наличии теплоизоляции и снижении теплоотдачи на верхней поверхности
На данном графике видно, что внесенные изменения в сравнении с предыдущим расчетом имеют положительную динамику, что также должно сказаться на уменьшении растягивающих напряжений в железобетонной конструкции.
Результаты расчета возникающих напряжений приведены на рисунке 9.
Рис. 9. Результаты расчета напряжений в фундаменте
Также следует отметить, что согласно работе [11] целесообразно воспользоваться формулой зависимости модуля упругости бетона от времени:
,
(4)
где Ет и Б0 — соответственно модуль упругости бетона в возрасте Т (т >1,5 сут.), и в возрасте 28 сут нормального твердения;
к — коэффициент, зависящий от типа цемента (соответственно 0,095; 0,115 и 0,16 для быстро, нормально и медленно твердеющих цементов по классификации ЕКБ).
Согласно данной формуле, модуль упругости бетона следует принять на 25% ниже проектного значения для железобетонной конструкции возрастом в 3 сут, что в конечном итоге приведет к уменьшению напряжений в железобетонной конструкции.
Результаты расчета напряжений с учетом измененного модуля упругости фундамента приведены на рисунке 10.
0: 1гапмеп1 Мгис(иг а1
Ногт»| 55
Тур«: Norrr.il 3(К5}СКДШ5) и Г! ¡С Ра
61<|Ь*1 СоогсЫЛе Зуйет "Пте: ¿59000 13.01.202315:51
6,06 ИебМ«
5,22ЭТ«6 4.3946(6 3,5бОТ<б 2,7256(6 1,011*6 1,0565е6 2,22(В«5 -6,1249*5 -1.447с6 М!м
Рис. 10. Результаты расчета напряжение с учетом измененного модуля упругости фундамента
03
г
м О
-I
м
Э СО
0 *
1 :
а. * **
э <и * £
* !
га
ш 1 Ш »5
ГО
(и
5 О
с; с
ш X
X 2 ^ 1
* ! I-а
^ <и
с; ш ©
с; <
о
т
н
<и
I
Щ
Ц
и
■ <и < а . с НО
Выводы
Произведённый расчет в программном комплексе ЛЫ8У8, показал, что добавление дополнительного слоя экструдированного пенополистирола под подошву фундамента и уменьшение коэффициента теплоотдачи на верхних слоях фундамента положительно влияет на уменьшение перепада температур между центром и верхними гранями фундамента. Также важным является корректировка модуля упругости для железобетонной конструкции в раннем возрасте, что уменьшает показатели растягивающих напряжений в железобетонном фундаменте.
Библиографический список
1. Несветаев А. С, Чепурненко А. С, Корянова Ю. И., Сухин Д. П. Оценка некоторых методик для расчета температурных напряжений при бетонировании массивных железобетонных фундаментных плит // Инженерный вестник Дона. 2022. № 7. URL: http://ivdon.ru/ru/magazine/ archive/n7y2022/7817.
2. Несветаев А. С., Корянова Ю. И., Чепурненко А. С., Сухин Д. П. О влиянии некоторых технологических факторов на качество бетона монолитных железобетонных конструкций // Инженерный вестник Дона. 2022. № 11. URL: http:// ivdon.ru/ru/magazine/archive/n11y2021/7256.
3. Chepurnenko, A. S. Modeling non-stationary temperature fields when constructing mass cast-in-situ reinforced-concrete foundation slabs / A. S. Chepurnenko, G. V. Nesvetaev, Yu. I. Koryanova // Architecture and Engineering. — 2022. — Vol. 7. — № 2. — URL: https://aej.spbgasu.ru/index.php/AE/article/view/601.
4. Несветаев, Г. В. Оценка некоторых методик для расчета температурных напряжений при бетонировании массивных железобетонных фундаментных плит / Г. В. Несветаев, А. С. Чепурненко, Ю. И. Корянова, Д. П. Сухин // Инженерный вестник Дона. — 2022. — № 7. — URL: http://www.ivdon.ru/ ru/magazine/archive/n7y2022/7817.
5. Chepurnenko, A. S. Simplified model for determining the stress-strain state in massive monolithic foundation slabs during construction / A. S. Chepurnenko, G. V. Nesvetaev, Yu. I. Koryanova, B. M. Yazyev // International Journal for Computational Civil and Structural Engineering. — 2022. — Т.18. — № 3. — С.126 - 136. — URL: https://ijccse.iasv.ru/index.php/ijccse/article/view/556/322.
6. Несветаев, Г. В. К вопросу моделирования температурных напряжений при бетонировании массивных железобетонных плит / Г. В. Несветаев, Ю. И. Корянова, А. С. Чепурненко, Д. П. Сухин // Инженерный вестник Дона. — 2022. — № 6. — URL: http://ivdon.ru/ru/magazine/archive/n6y2022/7691.
7. Несветаев, Г. В. О влиянии некоторых технологических факторов на качество бетона монолитных железобетонных конструкций / Г. В. Несветаев, Ю. И. Корянова, А. С. Чепурненко, Д. П. Сухин // Инженерный вестник Дона. — 2021. — № 11. — URL: http://www.ivdon.ru/ru/magazine/ archive/n11y2021/725.
8. Корянова Ю. И., Несветаев А. С., Чепурненко А. С., Сухин Д. П. К вопросу моделирования температурных напряжений при бетонировании массивных железобетонных плит // Инженерный вестник Дона. 2022. № 6. URL: http:// ivdon.ru/ru/magazine/archive/n6y2022/7691.
9. Р НОСТРОЙ 2.6.17-2016 «Рекомендации Организация и производство бетонных работ в зимний период» URL: https://dokipedia.ru/document/5333014.
10. Красновский Б. М. Инженерно-физические основы методов зимнего бетонирования. — М.: Изд-во ГАСИС, 2007.
11. Несветаев Г. В. Бетоны: учебное пособие. — Изд. 2-е, доп. и перераб. — Ростов н/Д: Феникс, 2013. — 381 с.
DETERMINATION OF TEMPERATURE FIELDS AND STRESSES DURING THE CONSTRUCTION OF MASSIVE MONOLOTHIC FOUNDATIONS FOR WIND TURBINES
D. A. Zoalkfl
A. T. Ugrekhelidze
E. N. Pishcherenko
Don State Technical University, Rostov-on-Don
и z
H Û -I H
D CD
Abstract
During the construction of monolithic reinforced concrete structures, there is a risk of cracking due to non-compliance with the temperature and humidity conditions, and therefore it is relevant to study and improve algorithms for calculating temperature fields in the early period of detection of reinforced concrete structures.
The Keywords
foundation, temperature fields, heat, stresses
Date of receipt in edition
19.01.2023
Date of acceptance for printing
23.01.2023
О *
Ссылка для цитирования: I .
ш
Д. А. Зоалкфл, А. Т. Угрехелидзе, Е. Н. Пищеренко. Определение температурных полей и напряжения при К
ш 5
возведении массивных монолитных фундаментов под ветрогенераторы. — Системные технологии. — 2023. — ^ I
№ 1 (46). — С. 55 - 63. 5 £
* I
га
ш I £ > *
И щ ^ Ц
5 О
с; с
ш X
X 2 ^ 1
* ! и-а
^ <и $ г
9 <и ГО д
■ и
< а . с
но
