ALGORITHMS FOR CALCULATING THE SIMULATED HEAT TRANSFER PROCESSES IN CONCRETE AND REINFORCED CONCRETE STRUCTURES WHEN EXPOSED TO HIGH TEMPERATURE

Егорова Л.А.¹, Акулова М.В.², Ибрагимов А.М.³

¹Студент, ²Доктор технических наук, Советник РААСН, ³Доктор технических наук, Советник РААСН, Ивановский государственный политехнический университет

АЛГОРИТМ РАСЧЕТА МОДЕЛИРУЕМОГО ПРОЦЕССА ТЕПЛОПЕРЕНОСА В БЕТОННЫХ И ЖЕЛЕЗОБЕТОННЫХ КОНСТРУКЦИЯХ ПРИ ВОЗДЕЙСТВИИ НА НИХ ПОВЫШЕННЫХ ТЕМПЕРАТУР

Аннотация

В статье рассмотрено – алгоритм расчета процесса нагревания поверхности бетонных и железобетонных конструкций при воздействии на них повышенных температур, алгоритм расчета процесса распределения температуры бетона при нагревании.

Ключевые слова: железобетон, температура, строительство.

Egorova L.A.¹, Akulova M.V.², Ibragimov A.M.³

¹Student, ²Doctor of Technical Sciences, Advisor RAASN, ³Doktor of Technical Sciences, Advisor RAASN, Ivanovo State Polytechnic University

ALGORITHMS FOR CALCULATING THE SIMULATED HEAT TRANSFER PROCESSES IN CONCRETE AND REINFORCED CONCRETE STRUCTURES WHEN EXPOSED TO HIGH TEMPERATURE

Abstract

The article considers the algorithm of the calculation process of heating the surface of the concrete and reinforced concrete structures when exposed to elevated temperatures, the algorithm for calculating the distribution process temperature of concrete when heated.

Keywords: concrete, temperature, and construction.

Для получения распределения температуры по глубине бетонной конструкции, необходимо сначала смоделировать процесс пожара.

Если рассматривать пожар, как физическое явление передачи тепла в определенных условиях его развития, можно получить модель пожара в помещении. Существует два метода моделирования пожара, в зависимости от способа описания изменения параметров состояния процесса, интегральный и дифференциальный.

Интегральный метод дает практически важные результаты, и применяется при описании пожара среднеобъемными параметрами состояния. Этот метод можно использовать, когда в помещении существует хорошее смешение продуктов горения, а само горение происходит по всему объему помещения [1].

Дифференциальное моделирование дает возможность получить наиболее полную информацию о величинах характеризующих пожар (скорость, температура, концентрация продуктов, тепловых потоках) в любой точке пространства и времени. Отличие данного метода, это возможность получения локальных значений термодинамических параметров пожара.

Математические модели, представляющие процессы нагревания и охлаждения рассматриваемой исследуемой системы теплопереноса в бетонных и железобетонных изделиях при своем рассмотрении позволяют построить различные графики зависимостей работы бетона от степени и времени нагревания или охлаждения конструкций. Так же для получения графиков зависимостей требуется составление алгоритмов расчета, которые позволяют реализовать математические модели с помощью программно-вычислительных средств, например, таких как MathCad и MathLab.

Алгоритм расчета процесса нагревания поверхности бетона, представленный на рис.1, начинается с ввода начальных условий для расчета системы. Требуется отметить, что меняя исходные значения условий можно добиться решения исходной системы для различных видов материалов с относительной точностью. К начальным условиям для системы теплопереноса в бетонных и железобетонных конструкциях относятся плотность бетона, начальная температура поверхности и нагревателя, максимальная температура нагрева, а также время нагрева излучателя до заданной температуры. Изменяя время нагрева нагревателя до максимальной температуры (заданной в начальных условиях) можно изменять скорость нагрева поверхности бетона, тем самым получать различные температурные нагрузки на бетон.

Далее рассчитывается эффективный коэффициент теплоотдачи, который определяет суммарную интенсивность теплообмена в рассматриваемой системе: конвекцией от газа к нагреваемой поверхности и лучистым теплом посредством радиационного обмена между излучателем и бетоном. Следует заметить, что на данном этапе расчет коэффициента происходит при начальных условиях, т.е. в момент времени равном нулю.

Затем выбранная программа рассчитывает температуру поверхности бетона в начальный момент времени. После рассчитывается температура излучателя, коэффициент теплоотдачи в момент времени равный одной секунде. И далее процесс повторяется с заданным временным интервалом, до времени, в течение которого происходит процесс температурного воздействия.

После просчета данной модели программа выдает интересующие соискателя зависимости. Положительно то, что результаты моделирования не ограничиваются временными рамками, и интересующие значения можно получить в любой момент процесса нагрева.

Рис.1 - Блок-схема расчета зависимости температуры поверхности бетона от времени. (α_эф – эффективный коэффициент теплоотдачи, Т_изл – температура излучателя, Т_пб – температура поверхности бетона, τ_к – время действия тепловой нагрузки)

 

Представленная на рис.2 схема описывает алгоритм расчета распределения температуры по глубине бетона. И в отличие, от предыдущего, просчитывает не только динамическое изменение температуры на поверхности бетона, но и по его глубине.

 

Рис.2 - Блок-схема расчета распределения температуры по глубине бетона. (α_эф – эффективный коэффициент теплоотдачи, Т_изл – температура излучателя, Т_пб – температура поверхности бетона, τ_к – время действия тепловой нагрузки, Т(х) – температура по глубине бетона, х_к – глубина поверхности бетона)

 

Алгоритмы расчета, представленные на рис.1 и рис.2, практически идентичны и имеют разницу лишь в том, что:

- в исходные условия входит распределение температуры по глубине бетона в начальный момент времени;

- одновременно с расчетом изменения температуры на поверхности бетона просчитывается новое значение распределения температуры по глубине для данного момента времени.

Результатом работы программы по данному алгоритму будет зависимости, характеризующие распределение температуры по глубине бетона в любой момент времени, интересный для нас.

Представленные блок - схемы алгоритмов нагрева поверхности бетона и распределения температуры по его глубине позволяют, при моделировании данных процессов, определять следующие:

- зависимость температуры нагревателя от времени,

- зависимость температуры поверхности бетона от интенсивности теплового воздействия,

- зависимость температуры поверхности бетона от времени действия тепловой нагрузки,

- распределение температуры по глубине бетона, в зависимости от времени воздействия и интенсивности тепловой нагрузки.

Литература

1. Моделирование и расчет пожара [Электронный ресурс] URL: http://firedata.ru/left_block_sshtml (дата обращения 19.12.2014).

References

1. Modelirovanie i raschet pozhara [Jelektronnyj resurs] URL: http://firedata.ru/left_block_ss_645.html (data obrashhenija 19.12.2014).