автореферат диссертации по информатике, вычислительной технике и управлению, 05.13.12, диссертация на тему:Автоматизированное проектирование монолитных стен многоэтажных зданий с заданным уровнем теплотехнических качеств

На правах рукописи

НАБАТЯН Девон Борисович

АВТОМАТИЗИРОВАННОЕ ПРОЕКТИРОВАНИЕ МОНОЛИТНЫХ СТЕН МНОГОЭТАЖНЫХ ЗДАНИЙ С ЗАДАННЫМ УРОВНЕМ ТЕПЛОТЕХНИЧЕСКИХ КАЧЕСТВ

Специальность 05.13.12 — Системы автоматизации

проектирования

АВТОРЕФЕРАТ диссертационной работы на соискание ученой степени кандидата технических наук

Москва - 1995

Работа выполнена в отделении сертификации специалистов Университета Методологии Знания ( УМЗ, г. Москва )

Научный руководитель:

Доктор экономических наук, профессор Карась Л.Ю.

Научный консультант:

Кандидат технических наук Простаков В.М.

Официальные оппоненты

Доктор технических наук , профессор Шапошников H.H.

Кандидат технических наук Туховский С.Н.

Ведущая организация : Секция "Строительство" Российской Инженерной Академии.

Защита состоится ноября 1995 года в ^^ часов на заседании диссертационного совета Д 053.11.11 при Московском Государственном Строительном Университете по адресу : Москва, ул. Трифоновская, д. 57 , ауд. 201.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Университета .

Автореферат разослан 19&i г.

Ученый секретарь диссертационного совета 6 —-- В.О.Чулков

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Системы автоматизации проектирования (САПР) являются мощным средством ускорения научно—технического прогресса в процессе создания и реконструкции различных строительных объектов, разработки и расчета их конструктивных элементов для различных уровней эксплуатации. При таких проектных процедурах целесообразно заранее задавать прочностные, теплотехнические и прочие характеристики будущих строительных объектов с целью достижения необходимого уровня качества возведения и эксплуатации зданий и сооружений. В частности, САПР позволяет осуществить многовариантное проектирование стеновых панелей монолитных железобетонных конструкций с использованием несъемной опалубки и расчетом теплотехнических качеств таких панелей. Анализ показывает, что до настоящего времени эта проблема решается на уровне индивидуального опыта каждого специалиста, приобретаемого путем долгих иттераций, на основе проб и ошибок и, в конечном итоге, сводится к формированию примерно одинаковых ( а значит подлежащих формализованному описанию и автоматизации) алгоритмов и технологий деятельности проектировщика. Поэтому представляется актуальной тема диссертационной работы — автоматизированное проектирование монолитных стен многоэтажных зданий с заданным уровнем теплотехнических качеств .

Цель диссертационной работы — повышение качества возведения и эксплуатации зданий и сооружений из панелей с несъемной опалубкой за счет применения на стадии проектирования новых ( на уровне изобретения) конструктивных элементов, обеспечивающих отсутствие утечки тепла из помещений .

Задачи исследования: изучение существующих конструкций плит и панелей с несъемной опалубкой; выявление мест и элементов, подлежащих принципиальной доработке или переработке с целью обеспечения наперед заданных теплотехнических качеств; многовариантное

автоматизированное проектирование вновь предлагаемых конструктивных элементов ограждающих конструкций зданий и сооружений; расчет теплотехнических свойств вновь предлагаемых конструкций для условий Армении ( г.г. Спитак, Ленинакан и др.) ; внедрение разработанных конструкций ( в том числе получение авторских свидетельств и патентов .

Методы исследования: анализ и обобщение опыта,теория теплотехнических расчетов, системотехника строительства, теория вероятностей и математическая статистика; геометрическое моделирование ; экспертные оценки.

Научная новизна заключается в разработке : новых оригинальных конструктивных элементов строительных ограждающих конструкций; способа их использования при проектировании стен монолитных многоэтажных зданий в сейсмических зонах; методики оценки качества (теплотехнических свойств) вновь предлагаемых конструкций.

Практическая значимость состоит в создании оригинальных, защищенных авторскими свидетельствами, конструкций стеновых панелей, используемых в процессе возведения зданий в городах Спитак и Ленинакан в Армении, подвергшихся разрушению в результате землетрясений .

Внедрение результатов работы. Разработанные формальные описания,модели и методики теплотехнических расчетов внедрены в производственных строительных организациях и в учебных курсах ВТУЗов (МГСУ,ВЗИСИ,УМЗ и др.).

Апробация работы. Результаты диссертационной работы докладывались на секции "Строительство" научного совета по комплексной проблеме "Кибернетика" РАН (Москва, 1994), на Московском городском семинаре "Системология и системотехника комплексной обработки документации" (Москва, 1995), на секции "Строительство" Российской инженерной Академии (Москва, 1994), на научных семинарах МИСИ (кафедра архитектуры, 1992-93 г.г.) и УМЗ (1994 — 1995).

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит > введения, трех глав , общих выводов по диссертации, [иска использованной литературы и приложений. Объем гссертации страниц основного текста, таблиц, рисунков :писок литературы из наименований , 4 приложения.

На защиту выносятся:

— модель оригинальной несъемной опалубки в составе ¡щей модели новой стеновой панели многоэтажного жолитного жилого здания ;

— метод формирования конструктивных элементов [утри панели, обеспечивающий отсутствие утечки тепла из 1лого помещения во внешнюю среду:

— методика оценки качества (теплотехнических свойств) овь предлагаемой автором конструкции.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обосновывается актуальность выбранной мы, формулируется цель и задачи исследования, казывается научная новизйа полученных результатов .

В первой главе " Анализ состояния моделирования вых вариантов строительных ограждающих конструкций в эчественном и зарубежном строительстве " сопоставляется ыт проектирования и применения сборно — монолитных ¡лезобетонных стен жилых и общественных зданий с пользованием несъемной опалубки. Подчеркивается зможность уменьшения массы при выполнении сборных эментов с неполным покрытием и снижения расхода талла при использовании в предварительно напряженных эрных элементах арматуры высокопрочных марок стали, шолитность и статическая неопределенность значительно гличивают жесткость и пространственную устойчивость сих сооружений. Зонирование при заполнении материалом :ла" конструкции позволяет с выгодой использовать наряду высокопрочными и марки бетона меньшей прочности с >ко сокращенным расходом цемента. Сборно — монолитный лезобетон используется, по причине названных и ряда тих особенностей и свойств, для возведения обширного

класса легкобетонных и комбинированных конструкций, позволяет добиться снижения массы сооружения, улучшения акустических, теплоизоляционных и других характеристик конструктивных элементов ограждения и зданий в целом. Рассматриваются разновидности используемой в отечественном и зарубежном строительстве несъемной опалубки (армоцементная, железобетонная, стеклоцементная, фибробетонная, металлическая и др.) и особый акцент делается на несъемной армоцементной опалубке из тонких плит.

Вторая глава посвящена проблемам

автоматизированного проектирования несъемной опалубки. Особое внимание уделяется автоматизации расчетов при проектировании опалубки(в частности — нагрузок на опалубку). Основные нагрузки действуют на опалубку в момент бетонирования, но необходимо анализировать и просчитывать и ветровые нагрузки. Инженерная задача .применительно к таким расчетам, сводится к установлению параметров бетонирования, при которых обеспечивается прочность и устойчивость опалубки. Вид и величины допустимых нагрузок зависят в значительной мере от ориентации опалубки. Отдельные опалубочные элементы,их крепление и поддерживающие устройства при необходимости подвергают поверочному расчету на сосредоточенные нагрузки, которые в любом случае принимают не менее 1300Н или вводят дополнительную динамическую нагрузку от вибрации бетонной смеси, равную 2000 Па. Максимальное боковое давление загружаемой бетонной смеси моделируется уравнением:

Р = )'/1 (при и 1/< 0,75 м/ч.) ,

где У — плотность бетонной смеси, кг/куб.м.; ^ — высота свежеуложенного слоя бетонной смеси, м; Л^ — радиус действия глубинного вибратора. При невысоких скоростях бетонирования в нижней части несъемной опалубки появляются силы сцепления с бетоном конструкции, которые направлены противоположно боковому давлению. Динамические нагрузки на опалубку от сбрасывания смеси

при загрузке зависят от способа подачи бетонной смеси (сгтуск по лоткам,хоботам или непосредственно из бетонопроводо, выгрузка из резервуаров и др.) и колеблются в пределах от 4000 Па до 6000 Па. Рассматриваются ограничения и геометрические модели зависимостей параметров. Диссертант приводит ряд моделей, используемых для определения параметров трещиностойкости, гибкости стоек и отдельных ветвей составных стоек, формулирует ограничения на гибкость ветвей между поперечными планками (не должна превышать 40). Геометрические модели, используемые при анализе роста нормального и тангенциального сцепления бетона, а также зависимости сцепления от водоцементного отношения приведены на рис 1 и 2. Выполнен расчет числа анкерных выпусков с использованием геометрических моделей. Для обеспечения прочности и долговечности сборно — монолитных конструкций и сооружений, бетонируемых в несъемной опалубке или формируемых с ее применением, надо обеспечивать надежное соединение опалубки с бетоном конструкции. Сцепление бетона с опалубкой в разной степени зависит от адгезии, когезии и усадки, а также от их взаимного конкретного соотношения. Адгезия и когезия способствуют увеличению сцепления, усадка наоборот приводит к снижению степени спепления. Рекомендуется отдельно рассматривать группы факторов, влияющих на сцепление. Первая группа — характеристики бетона( осадки конуса,марка, возраст, вид ). Вторая группа характеризует условия твердения конкретного бетона. Характеристики активной поверхности опалубки составляют третью группу. Экспериментально установлено, что наиболее интенсивно увеличивается сцепление в начальный период (через трое суток величина сцепления достигает около 60% полного объема, а через семь суток доходит до 89% максимального значения величины сцепления). Помимо характеристик несъемной опалубки сцепление в значительной степени определяет подвижность бетона. Практика бетонных работ показывает, что сцепление снижают как малоподвижные, так и весьма подвижные бетонные смеси. Малоподвижные бетоны уменьшают сплошной контакт бетона и опалубки. Весьма подвижные смеси (в их числе и литые,

Рис. f .. Рост нормального он м тангенциального t сцепления бетона

/—нормальное сцепление бетона марки М100; 2 — то же. М 200. J — то же. М 300: * —тангенциальное сцепление бетона марки М I00: j — то же. М 200. 6 — то же. М 300

МПа

.Зависимость сцепления от водоцементного отношения

' Hcv-мзльиое сцепление бетона марки М 100: 2— то же. М 200 J — то же

М 300-, < —тангенциальное сцепление бетона мпркн М 100 5 — то же М чоо' « — то же. .М 300 . - .

(тцественно подвержены затем при затвердевании гструктивному воздействию усадки, что приводит к резкому рагментарному нарушению сцепления. Для повышения 1деж.ности сцепления несъемной опалубки с бетоном знструкции применяются анкерные устройства, редлагаемые автором геометрические модели для работы при юектировании по расчетным схемам реализуются в »афическом редакторе Corel Draw 4.0, используемом в герационной среде Windows . Рассматриваются вопросы юектирования технологических процессов изготовления и энтажа несъемной опалубки. Как правило, изготовление эрмообразующих элементов несъемной опалубки (плит, :орлуп, блоков и др.) выполняется на специализированных >едприятиях, а при небольших объемах внедрения —на [ециализированных участках в составе заводов ЖБИ, юизводящих, параллельно с рассматриваемой, значительную >менклатуру изделий.

Третья глава посвящена автоматизации проектирования ювь предлагаемой оригинальной конструкции стеновой нели. Предложена геометрическая модель теплофизически нородной стеновой панели (плиты) специальной югослойной конструкции. Приоритет автора диссертации и ллектива его соавторов поддержан рядом авторских идетельств и патентов, приведенных в приложении 1 к ссертации. Названная модель реализована в виде системы аимосвязанных расчетных модулей, каждый из которых лдется программой или подпрограммой расчета трехмерных чпературных полей в ограждающих конструкциях зданий, ждая из пластин многослойной стеновой панели может ть индивидуально утеплена путем наклейки на нее гплителя, при соединении пластин могут оставляться здушные зазоры (тепловые подушки) или выполняться юлнения бетоном,как было рассмотрено выше. В местах здинения пластин, выполняемых в использованием галлических конструктивных элементов, образуются эстики холода". Влияние таких мостиков холода на (чение сопротивления теплопередачи данной ограждающей {струкции учитывается в модели автоматизированного

- 10 -

проектирования путем расчета коэффициента

теплотехнический неоднородности. Сопоставление известных и применяемых в условиях Армении туфобетонных монолитных стен с вновь предложенной автором конструкцией плиты по приведенным затратам на один квадратный метр площади стены и плиты соответственно выявил экономичность новой конструкции на 20 тыс. руб./кв.м. ( в ценах 1991 г.). Сопоставление любого базового варианта с новым в предложенном автором варианте САПР выполняется также по паропроницанию, приведенному сопротивлению теплопередачи. В диссертации подробно рассматривается алгоритм работы программы расчета трехмерных температурных стационарных полей и приведенного сопротивления теплопередаче в неоднородных ограждающих конструкциях зданий и сооружений. В качестве численного метода решения системы конечно — разностных линейных алгебраических уравнений используется метод сопряженных градиентов. Входные данные программы состоят из геометрических характеристик модели конструкции, вводимых с разработанной в САПР проектной документации, теплофизических характеристик материалов и граничных условий. В качестве базовой при разработке и адаптации программного комплекса была принята экспериментальная модель модель, созданная в НИИСФ Госстроя СССР. Граничные условия первого, второго и третьего рода задаются унифицированно, как граничные условия третьего рода. В программе предусматривается специальная диагностика ошибок для неквалифицированного пользователя. Практически ограничений на соотношение величин теплопроводностей материалов в программном комплексе не существует, однако предполагается их независимость от температуры. Программа обеспечивает проведение расчетов и по двумерным . стационарным полям ограждающих конструкций, выполняемых как частный случай трехмерного расчета методом исключения одной из координат. Двумерные расчеты выполняются с целью проверки теплотехнических качеств запроектированной или существующей конструкции, выбора наиболее подходящего варианта узла ограждающей конструкции в процессе автоматизированного проектирова —

- и -

ия или реконструкции существующей

онструкции, сопоставления данных наблюдения за емпературным режимом ограждающей конструкции с езультатами расчетов при лабораторных (стендовых) или атурных испытаниях. Для расчета стационарного емпературного поля в неоднородной ограждающей онструкции выполняются этапы:

— составления схемы расчета фрагмента ограждающей онструкции с заданием границ области исследования, асположения осей координат системы отсчета, указанием частков с разными коэффициентами теплопроводности и словиями теплообмена на границах этих участков, а также олной (внутренней и внешней) параметризацией ассматриваемого объекта;

— расчленения области исследования на элементарные локи с выделением отдельно участков этой области, меющих разные коэффициенты теплопроводности;

— графического представления области исследования в словной псевдосистеме координат, когда, несмотря на >актически разные физические размеры, все блоки ычерчиваются одного и того же размера;

— используя результаты трех предыдущих этапов и в соответствии со специальной методикой формируется массив сходных численныз значений входных данных, котрый затем водится с клавиатуры в ПЭВМ. При выполнении четвертого гапа не рекомендуется какое—либо совмещение одновременной использование) результатов выполнения ервых трех этапов. Рассмотрение и использование этих езультатов должно быть строго последовательным с целью сключения каких—либо ошибок при составлении исходных шных для работы программного комплекса.

В качестве теоретического примера в работе приведено эмпературное поле конструкции, состоящей из шести >ризонтальных и трех вертикальных пластин. В качестве эактического примера работы рассматриваемого эограммного комплекса приведен расчет сопротивления ;плопередачи панели (согласно авторскому свидетельству эискателя) торцевой стены многоэтажного жилого здания, анель размерами 2800 мм. на 2800 мм. на 250 мм.

- 12 -

многослойная, изготовлена с применением несъемной оснастки и замоноличиванием связующей арматуры. Процесс теплопередачи в такое панели трехмерный: потоки тепла распределяются перпендикулярно плоскости плиты , а также в плоскости плиты.

Выполнены теплотехнические исследования натурных объектов, формируемых из плит новой конструкции. Одним из таких объектов является четырехэтажный

восьмидесятиквартирный жилой дом,расположенный по Тбилисскому шоссе в г. Ленинакане (Армения). К моменту проведения теплотехнических испытаний жилой дом, имеющий стеновые шлакобетонные панели толщиной 300 мм. с учетом существующего "парка" металлических форм Ленинаканского домостроительного комбината (среди которых были и панели, разработанные соискателем), деревянные двери и окна с двойным остеклением, был подготовлен к сдаче в - эксплуатацию. Для стеновых панелей плотность шлакобетона была 1250—1350 кГ/кубич.м. Внутренний фактурный слой панелей выполнен из алебастра толщиной 5 — 8 мм. На пол укладывался слой бетона в 2 см. Замоноличивание и герметизация стыков нанелей наружных и внутренних стен,панелей перекрытия выполнялись по СН 321—65 и МРТУ—16—66, а герметизирующие материалы удовлетворяли требованиям ГОСТ 11309—65 "Дома жилые крупнопанельные". Исследованию подвергалось наиболее неблагоприятное с точки зрения теплоустойчивости помещение помещение : комната без лоджии с окном, выходящим на юго-запад. Соискателем была составлена программа расчета теплоустойчивости помещений и проведены расчеты с использованием полученных опытных данных. По расчетам амплитуда колебаний температуры воздуха помещения равна 1,36 градуса Цельсия, что меньше допустимых амплитудных колебаний,равных 1,5 градуса Цельсия. Проведенные исследования показали,что как ограждающие конструкции,так и помещения в целом удовлетворяют требованиям по теплоустойчивости. Люди в помещениях будут находиться в оптимальных условиях,удовлетворяющих ограничениям комфортности.

- 13 -

При определении технико —экономической

эффективности несъемных опалубок сопоставление вариантов для сборно —монолитного железобетона выполнялось по двум основным показателям:

стоимость опалубочных работ в расчете на 1 (100) квадратных метров опалубливаемой поверхности;

трудоемкость опалубочных работ в расчете на I (100) квадратных метров опалубливаемой поверхности.

В качестве дополнительных показателей может быть использован расход дефицитных материалов (стали, древесины и др.) в расчете на соответствующую единицу .

Расчет экономической эффективности выполнен с ученом себестоимости опалубочных работ, себестоимости изготовления комплекта опалубки, себестоимости устройства и разборки доборов (устанавливаемых по месту), других экономических показателей. Методика и модели расчета экономической эффективности приведены в основном тексте диссертации в разделе 3.4.

Разработки соискателя внедрены при его непосредственном участии в Ленинакане при восстановлении разрушенного землятрясением жилого фонда (см. документы в приложении 1 к диссертации). Кроме того, эти разработки используются в Ленинградском регионе и переданы для внедрения на фабрику им. А.Бебеля, Невский машиностроительный завод (цех №9), в объединение "Электросила" и на карбюраторный завод. Общий объем внедрения составляет более 50 тысяч квадратных метров опалубливаемой поверхности,

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ

1. Изучение опыта практического использования средств автоматизации проектирования (САПР) при создании и реконструкции различных строительных объектов в условиях,когда заранее задаются прочность, теплотехнические и другие характеристики будущих объектов с целью достижения необходимого уровня качества возведения и эксплуатации зданий и сооружений, показало, что проблема автоматизированного проектирования монолитных стен мно —

- 14 -

гоэтажных зданий до сих пор является не до конца решенной.

2. С целью исключения "мостиков" холода, как источников утечки тепла из помещений жилых и производственных зданий и сооружений соискателем предложена (на уровне изобретения) новая конструкция многослойной стеновой панели с несъемной опалубкой и технология ее промышленного производства. Такая панель, изготовленная Ленинаканским домостроительным комбинатом (Армения) прошла проверку по теплотехническим свойствам и получила положительную оценку.

3. Диссертант предлагает ряд моделей расчета элементов сборно — монолитных стен и перекрытий, формируемых по вновь предложенной им технологии,спроектированных с применением средств САПР и имеющих оригинальные конструктивные решения ( на уровне авторских свидетельств и патентов).

- 4. Разработанные или адаптированные к условиям ПЭВМ программные средства соискателя можно использовать не только в строительной области. Расчеты основаны на численном решении дифференциальных уравнений и пригодны для задач электротехники и

электроники,кибернетики и машиностроения (как общего,так и специального : энергетического, вагоностроения, кораблестроения и др.).

5. В условиях сельского строительства, отличающегося удаленностью от производственных баз, отсутствием количества квалифицированных кадров, переход от традиционных методов возведения железобетонных конструкций к сборно—монолитному варианту в конечном итоге приведет к заметному росту производительности труда.

Основные результаты работы опубликованы в следующих работах автора:

1. Набатян Л.Б. Исследование теплофизических характеристик сборно — монолитных стен, —М.: МИСИ, 1990,— 23 е., ил. (препринт).

2. Набатян Л.Б. Расчет трехмерных температурных полей в стеновых панелях сборно —монолитных жилых зданий. —М.: