ДЕПАРТАМЕНТ ОБРАЗОВАНИЯ ГОРОДА МОСКВЫ 
ИНСТИТУТ ИНФОРМАТИЗАЦИИ ОБРАЗОВАНИЯ РАО
АДМИНИСТРАЦИЯ ГОРОДСКОГО ОКРУГА ТРОИЦК В ГОРОДЕ МОСКВЕ 
РЕГИОНАЛЬНЫЙ ОБЩЕСТВЕННЫЙ ФОНД НОВЫХ ТЕХНОЛОГИЙ В ОБРАЗОВАНИИ «БАЙТИК»
АНО «ИНФОРМАЦИОННЫЕ ТЕХНОЛОГИИ В ОБРАЗОВАНИИ» 
 XXV МЕЖДУНАРОДНАЯ КОНФЕРЕНЦИЯ
 «ПРИМЕНЕНИЕ НОВЫХ ТЕХНОЛОГИЙ В ОБРАЗОВАНИИ»  
«ИТО-Троицк-2014»
25-26 июня 2014 года, г.Москва, г.о. Троицк

Информационные технологии в учебном процессе и в регламенте расчёта строительных конструкций

Автор: Дорошенко Екатерина Сергеевна, Дипломы победителя конкурсов
ФГБОУ ВПО "Московский государственный строительный университет"
Сеточные методы математической физики, например, для уравнения теплопроводности требуют обработать большие массивы числовых данных, а это уже область информационных технологий. Задачи проектирования требуют предусмотреть максимально возможное количество нерасчётных воздействий на конструкцию. Это приводит к увеличению объёма анализируемой информации.

В настоящее время расчёт строительных конструкций выполняется по строгому регламенту: статические нагрузки, динамические нагрузки, вибростойкость, сейсмостойкость и т.д. При таком подходе априорно можно ожидать существование нерасчётных случаев работы конструкции. Простейшим примером служит нагрузка от снега на кровлях зданий, приводящая к разрушениям. Причины разрушения многих конструкций до сих пор не выяснены окончательно. Следовательно, чем больше факторов были учтены при расчёте строительного сооружения, тем надёжнее будет его конструкция. Однако учёт множества воздействующих факторов требует обработать большие массивы данных, а это уже область информационных технологий. Получается, что информационные технологии автоматически, без каких-либо указаний, внедряются как в учебный процесс, так и в реальные проектные работы.

В предлагаемой работе внимание конструкторов обращено на влияние последействия температурных ударов на функционирование основного строительного элемента – балки с различными видами заделки концов с теплофизической точки зрения. Обычно температурные поля определяются методами математической физики. При этом предполагаются типовые схемы функционирования конструкции. В работе показано, что такой подход часто не достаточен, приводит к занижению тепловых нагрузок в некоторых частях конструкции. Так как тепловые воздействия связаны с механическими нагрузками, то конструкция может потерять работоспособность не только во время нерасчётного температурного удара, а значительно позднее. Более того, работоспособность может быть нарушена не в месте максимума теплового воздействия, а в совершенно другом сечении.

Цель работы – доказать существенное последействие нестационарных температурных полей в балке как основном элементе строительной конструкции при различных способах её заделки. Актуальность исследования обоснована увеличением объёма строительства, ремонтных, восстановительных и особенно реконструкционных работ. Новизна исследования заключается в решении обратной задачи математической физики, то есть в определении краевых условий, которые допустимы или, наоборот, не желательны для конкретной конструкции. Практическая значимость работы планируется в рекомендациях и дополнениях к Техническому заданию, снижающих риск разрушения или потерю работоспособности конструкции при воздействии на неё нерасчётных температурных ударов.

Причиной выбора сформулированной цели исследования послужил анализ нормативной конструкторской и технологической документации [1]. Однако в этой документации не регламентирован период воздействия и контроля температурных ударов. Сварщик может добросовестно выполнить поставленную перед ним задачу, сварной шов будет принят, но, например, через час в здании может возникнуть пожар. Вполне возможно, что пожара не будет, но произойдёт разрушение конструкции или частично отслаивание материала не в окрестности места сварки, а совершенно в другом месте. При таком подходе к оценке последействия температурных ударов задача становится обратной в математическом понимании. Это означает не исследование нестационарных температурных полей по заданным краевым условиям, а наоборот, выяснение опасности или особенностей краевых условий с позиции неблагоприятного развития температурных полей.

При таком подходе к оценке возможных неблагоприятных последствий нарушения работоспособности конструкции исследовательская задача перестаёт быть аналитической в классическом понимании. Решение задачи требует применить как аналитические методы математической физики, так и компьютерное моделирование сложных нестационарных температурных полей в различных объектах.

Для теоретического решения задачи о нестационарном температурном поле в стержне было записано параболическое уравнение в частных производных для одномерного случая [2].  Параболическое одномерное дифференциальное уравнение описывает нестационарный процесс распространения тепла в стержне. Это уравнение появляется в задачах строительной механики при расчёте нагрузок вследствие температурных колебаний в конструкции. В частности, даже кратковременное повышение температуры балки в отдельной локальной области вызывает процесс распространения тепла по всей конструкции со всеми вытекающими отсюда последствиями: тепловыми разрушениями, расширением конструкции, возникновением температурных напряжений, деформаций и т.д. Теоретическое решение задачи позволило выявить аналитические зависимости температурного поля от конструктивных факторов. Однако полученные результаты имеют формальный вид, не позволяют наглядно представить последствия нерасчётных воздействий. Регламент расчёта строительных конструкций основан, как правило, на решении статических задач с учётом возможного динамического нагружения объектов. Но в регламенте отсутствуют рекомендации оценки последействия нерасчётных воздействий. Для сравнительного анализа различных последствий от нерасчётных воздействий надо обработать большие массивы данных. Например, даже нестационарное температурное поле в течение суток с шагом изменения 1 секунда при длине строительной балки 10 м с сеткой разбиения 10 см требует обработки массива значений около миллиона значений! При этом каждый узел расчётной сетки надо отобразить в иллюстративной форме.

Для решения задачи сравнительного анализа применялся пакет прикладных программ MathCAD. Удобство этого пакета заключается в очень широких возможностях, от простых арифметических вычислений, до решения дифференциальных уравнений и представления полученных результатов в графической форме. Программы позволяют не только строить трёхмерные графики, но и вводить цветовую гамму в качестве источника информации. Это означает, что фактически можно исследовать функции от трёх независимых переменных. Температурное поле можно изображать в виде набора различных оттенков. Удобство программ заключается в возможности произвольного поворота изучаемого объекта, обзора конструкции с различных ракурсов. Такая удобная программа отлично дополняет строгие аналитические зависимости и позволяет представить результат исследований Заказчику в иллюстрированной, понятной, наглядной, обоснованной форме.

В работе выявлено и иллюстративно представлено, какие способы теплофизических заделок балки наиболее неблагоприятны для дальнейшего развития нестационарных температурных полей. Одновременно выяснено, при каких способах заделки можно проводить температурные воздействия, например, сварочные работы, без опасения за разрушение конструкции.

Рассматриваются четыре основные теплофизические способа заделки двух концов балки – термостатирование и теплоизоляция концов в четырёх различных возможных сочетаниях. Для каждого способа строится нестационарное температурное поле, которое в последующем анализируется на предмет опасности для разрушения конструкции.

Сформулированы выводы из проведённых исследований.

1. Температурный удар обладает свойством существенного последействия. Даже при термостатировании концов балки, то есть при интенсивном отводе тепла от концов стержня, остаточная температура в отдельных сечениях конструкции может достигать 20% от максимальной температуры в начальный момент времени. Этого вполне достаточно для воспламенения некоторых веществ через длительное время после прекращения воздействия.

2. Теплоизоляция обоих концов балки является причиной детального исследования возможности проведения, например, сварочных работ. При такой конструкции тепло в балке сохраняется очень долго. Остывание происходит только за счёт контакта поверхности балки с внешней средой, тогда как концы балки никакого отвода тепла не обеспечивают. Это самый опасный случай нерасчётного воздействия с позиции опасности воспламенения объектов.

3. Если один конец балки теплоизолирован, а другой термостатирован, то особое внимание следует обратить на сечения вблизи теплоизолированного конца. Если температурный удар наблюдался вблизи теплоизолированного конца балки, то эта заделка может нагреться до 30-40% от максимального температурного воздействия.

4. Если температурное воздействие наблюдалось вдали от теплоизолированного конца балки, то этот конец может нагреться до 10% от начальной максимальной температуры.

5. В случае температурных ударов обследование конструкции необходимо проводить не только сразу после воздействия, но как минимум, через сутки после него. При этом желательным является анализ динамики температурного поля после нештатного воздействия на конструкцию.

Список использованных источников
  1. Руководство по инженерно-техническому обследованию, оценке качества и надежности строительных конструкций зданий и сооружений. РТМ 1652-9-89.
  2. Дорошенко Е.С. Передача тепла лазерного пятна с параболическим распределением температуры в стержне // Международная молодёжная конференция «ХХХIХ Гагаринские чтения» / Научные труды в 9 томах. – Том 5. - М.: РГТУ-МАТИ им. К.Э.Циолковского, 9-13 апреля 2013. – ISBN 978-5-932-71-690-8. – С.52-53.
  3. Дорошенко Е.С. Влияние способов заделки балки на процесс распространения тепла // Научные труды. 40 Международная молодёжная научная конференция «Гагаринские чтения – 40». – М.: РГТУ-МАТИ им. К.Э.Циолковского, 07-12.04.2014. – Секция 15 «Прикладная математика и математическая физика».
  4. Дорошенко Е.С. Влияние способов заделки балки на нерасчётные температурные воздействия // XVII Международная межвузовская научно-практическая конференция студентов, магистрантов, аспирантов и молодых учёных «Строительство – формирование среды жизнедеятельности». – М.: Московский государственный строительный университет (НИУ МГСУ-МИСИ), 23-25.04.2014. – Секция 3 «Комплексная безопасность в строительстве».
  5. Дорошенко Е.С. Влияние способов заделки балки на нерасчётные температурные воздействия // Ежегодная научно-техническая конференция по итогам научно-исследовательских работ студентов – г. Мытищи, Московская область: Московский государственный строительный университет (НИУ МГСУ-МИСИ), Мытищинский филиал, 20.03.2014. – Секция «Прикладная математика». – Предпринт кафедры «Прикладная механика и математика». – С.11-14.
Вид представления доклада  Устное выступление и публикация
Уровень  Бакалавриат
Ключевые слова  большие массивы данных, математическая физика, сеточные методы, уравнение теплопроводности

В статусе «Черновик» Вы можете производить с тезисами любые действия.

В статусе «Отправлено в Оргкомитет» тезисы проходят проверку в Оргкомитете. Статус «Черновик» может быть возвращен тезисам либо если есть замечания рецензента, либо тезисы превышают требуемый объем, либо по запросу участника.

В статусе «Рекомендован к публикации» тезис публикуется на сайте. Статус «Черновик» может быть возвращен либо по запросу участника, либо при неоплате публикации, если она предусмотрена, либо если тезисы превышают требуемый объем.

Статус «Опубликован» означает, что издана бумажная версия тезиса и тезис изменить нельзя. В некоторых крайне редких ситуацих участник может договориться с Оргкомитетом о переводе тезисов в статус «Черновик».

Статус «Отклонен» означает, что по ряду причин, которые указаны в комментариях к тезису, Оргкомитет не может принять тезисы к публикации. Из отклоненных тезис в «Черновики» может вернуть только Председатель программного или председатель оргкомитета.