Долговечность и эксплуатационная надежность строительных материалов, конструкций, зданий и сооружений

– сенсоры наклона формировали самоорганизующуюся, самовосстанавливающуюся ZigBee-сеть;

– данные поступали через GPRS-шлюз;

– беспроводная сенсорная сеть (БСС) соответствовала строгим требованиям энергосбережения (максимальное годовое потребление – 2500 mA/h на узел при тестовом режиме не больше 30 минут в год);

– батарейный отсек был доступен для того, чтобы техник мог легко заменить элементы питания, не задевая других компонентов системы;

– срок работы батарей превышал 12 месяцев; применялись батареи типа AA, 1,5V емкостью не менее 3000 mAh;

– сеть включала больше 50 узлов.

Система BOX Telematics должна каждый день получать информацию, сохранять ее в базе данных и доставлять на шлюз Box Gateway (рис.4). Для этого нужно, чтобы показания сенсоров через определенные промежутки времени собирались и передавались с помощью узлов SlaveBOX по стандарту ZigBee.

Рис.4. BOX Gateway шлюз+узелкоординатор

Воплощение  проекта

 

Решая эту задачу, BOX Telematics с MeshNetics, разработчиком БСС  и специалистом по ZigBee/802.15.4, совместно  создали беспроводную сенсорную  систему для дистанционного мониторинга  зданий (рис.5).

В качестве платформы  были использованы специально настроенные  беспроводные платы MeshBean (MeshNetics) с установленным на них системным ПО eZeeNet (MeshNetics). Платы MeshBean были односторонними для удобного монтирования в защитный корпус, в качестве которого использован IP65 с удобным доступом к батарейному отсеку. Корпус имел надежные скобы для монтажа, гарантирующие его неподвижность во время работы. Для сенсоров наклона использовался RS232-интерфейс, который осуществлял коммуникацию с сенсором во время активации узла. Такой же интерфейс применялся для коммуникации со шлюзом BOX.

Для успешного  воплощения этого проекта необходимо было создать недорогую, эффективную БСС, обеспечивающую постоянный приток критической информации о состоянии здания.

Беспроводные  узлы с измеряющими сенсорами  разместили внутри здания и по его  периметру. Они сформировали самонастраивающуюся  сеть благодаря зашитому в них системному ПО eZeeNet, поддерживающему ZigBee-стандарт. Сенсорные данные передавались на узелкоординатор и далее через GPRS-шлюз на сервер компании. Данные записывались в базу данных, после чего формировались соответствующие отчеты. Весь процесс был полностью автоматизирован. Также был создан удобный интернетпортал, обеспечивающий круглосуточный доступ к данным.

 

Это решение позволило  практически непрерывно получать данные и давать точную оценку состояния  здания. Автоматизированное решение  дало возможность также избавиться от значительных трудозатрат.  

Рис.5. Пример расположения датчиков в здании

Результат проекта – быстрота сбора, точность данных, безопасность, экономия

 Разработанная система позволила собирать данные практически непрерывно (рис.6), благодаря чему стало возможным получать точную и своевременную информацию о состоянии здания и в случае необходимости принимать превентивные меры. Кроме того, и это немаловажно, система дала ощутимую экономическую выгоду – отпала необходимость выезда инженеров на места и ручного сбора данных. Беспроводное решение позволило значительно сэкономить и на прокладке проводов в здании, ведь стоимость такой прокладки может достигать 300 долларов за метр! «Беспроводная технология M2M – это будующее удаленных измерений,» – говорит Чарльз Джоэл, лидер проекта из BOX telematics. «Занимаясь разработкой новейших M2M платформ и BOX Gateway шлюзовых решений с доступом через Интернет, продолжая исследования в области беспроводных соединений и сотрудничая с БСС специалистом MeshNetics, BOX telematics остается на острие технологического прогресса. Удаленные измерения параметров здания, передаваемые через шлюз BOX gateway, являются очень важной информацией и позволяют принять быстрые и точные решения без необходимости выезжать на место».

Рис.6. Пример отчета, полученного через интернет-портал

4.4. ТЕМПЕРАТУРНЫЕ ДЕФОРМАЦИИ ВЛАЖНОЙ КИРПИЧНОЙ КЛАДКИ

Разность коэффициентов  температурного расширения кирпича  и льда приводит к увеличению температурных  деформаций влажной кладки при отрицательных  температурах. При влажности кладки 12 % увеличение температурных деформаций в замороженном состоянии составило  от 56 до 92 % для кладок из различных  видов кирпича.

Для совершенствования  методики расчета каменных зданий на температурно-влажностные воздействия необходимо точно определить коэффициенты собственных деформаций кладки. По строительным нормам [2] коэффициент линейного температурного расширения (КЛТР) глиняного кирпича и керамических камней следует принимать 5⋅10^-6 град^-1, силикатного кирпича и бетонных блоков – 10⋅10^-6 град^-1. Тем не менее очевидно, что температурные деформации каменных материалов даже одного типа не могут оставаться стабильными и меняются в зависимости от технологии изготовления, качества сырья, условий окружающей среды.

В области отрицательных  температур на КЛТР кладки влияет её влажность  и наличие криофазы. Основная причина  этого – увеличение объема воды при замерзании и то, что КЛТР льда составляет 50⋅10^-6 1/К, что примерно в 10 раз больше, чем у красного кирпича.

Если поры кирпича  и раствора заполнены водой не полностью, что соответствует нормальной эксплуатации ограждающих конструкций, то при медленном образовании  льда происходит не расширение материала  за счет фазового перехода, а наоборот, сжатие и увеличение КЛТР кладки за счет связи льда и скелета материала. Значение КЛТР пористых материалов в зоне отрицательных температур зависит, в первую очередь, от количества замерзшей воды при данной температуре, соотношения КЛТР материала и льда и их модулей упругости [8]:

 

   (1)

где V_л, V_ск - объем льда и скелета материала; К_л, К_ск - модули объемного сжатия льда и скелета материала; α_л , α_ск - коэффициенты температурного расширения льда и скелета материала.

Основная проблема использования формулы (1) в том, что  она предполагает абсолютное сцепление  льда со стенками капилляров. Кроме  того, модуль упругости скелета материала  будет, очевидно, намного больше «макроскопического»  модуля упругости материала. В результате эта формула, отражая общий характер зависимости, дает сильно завышенные значения КЛТР пористого материала. Поэтому  необходимы экспериментальные зависимости  КЛТР от влажности для различных  пористых материалов.

В нашей стране уже проводились экспериментальные  исследования влияния влажности  материала на его деформации при  отрицательных температурах [8]. Исследовался газобетон, пенобетон, раствор на небольших образцах (высотой порядка 50-200 мм). При этом обнаружились расхождения экспериментальной дилатометрической кривой с теоретической, различные для разных материалов. Подобных исследований кирпича нами в литературе не найдено, поэтому решено было исследовать температурные деформации кирпичной кладки из различного кирпича при различном уровне влажности в зоне положительных и отрицательных температур.

Температурные деформации кладки измерялись на образцах в виде стеночек толщиной 120 мм, длиной 1300 мм, высотой 920-1050 мм с цепной перевязкой. Такие размеры выбраны для  увеличения базы измеряемых деформаций, т. к. при меньших размерах образцов трудно оценить влияние перевязки  рядов на КЛТР в различных направлениях и существенно влияние неоднородностей  материала. В образцах большей толщины  трудно добиться равномерности увлажнения и охлаждения. Кроме того, образцы  толщиной в половину кирпича адекватно  отражают работу кладки с многорядной  перевязкой, её наружной версты и кирпичной  облицовки. Моделирование работы этих участков каменных конструкций особенно важно, т. к. они испытывают наибольшие температурно-влажностные воздействия.

Исследования  проводились на пяти образцах из четырех  видов кирпича, широко используемых в строительной практике г. Хабаровска. Это силикатный одинарный и силикатный полуторный кирпич марок М125 по ГОСТ 379-95, глиняный лицевой с щелевыми пустотами М125 по ГОСТ 7484-78, два образца из глиняного кирпича пластического формования М125 по ГОСТ 530-95 Хабаровского кирпичного завода № 3. При кладке образцов использовался сложный цементно-известковый раствор марки 75 состава 1:0,7:4.

Собственные деформации образцов определялись с помощью  индикаторов часового типа с ценой  деления 1/100 мм. Точность индикаторов  этого типа при непосредственной установке оказалась недостаточной, и решено было использовать рычажные умножители деформаций. В результате минимальные фиксируемые перемещения  уменьшились до 1/400 мм.

 

 

Индикаторы  устанавливались снаружи холодильной  камеры. В образцах по углам устанавливались закладные детали, к которым крепились стальные тяги диаметром 8 мм, выведенные наружу. Рычажные умножители деформаций с индикаторами часового типа определяли относительные перемещения тяг Δ_Т. Эта величина определяет разницу между температурными деформациями кладки и стальной тяги на одной и той же базе B. Тяги перед экспериментом тарировались по принципу абсолютного дилатометра. Деформации кладки определялись следующим образом:

  (2)

где α_s - КЛТР стали; T_s - температура тяги.

На каждом образце  деформации определялись на четырех  участках: горизонтальные - вверху и внизу, вертикальные – слева и справа (рис. 7). Температуры тяг и образцов определялись при помощи хромель-копелевых термопар. Термопары устанавливались: по одной на каждой тяге, 3 в середине образца, и 6 на поверхности образца. Точность измерения температур составила 0,2 °С.

Рис. 7. Схема установки приборов на кирпичный образец (показана также часть обшивки холодильной камеры).

Влажность образцов измерялась с помощью взвешивания  образцов до и после увлажнения. При этом использовались силоизмерители в виде стальной пластины, изгибаемой при изменении веса образца как  балка на двух опорах с приложенной  по центру силой, прогибы пластин  измерялись с помощью индикаторов  часового типа.

Температура в  холодильной камере опускалась до –25 °С. Перед снятием отсчётов холодильная установка выключалась для выравнивания температуры по сечению образца. Распределение температуры по сечению считалось равномерным, когда разность температур между поверхностью образца и его центром не превышала 0,5 °С.

 

 

 

 

После 28 суток  твердения фрагменты стен испытывались при четырех ступенях влажности: в воздушно-сухом состоянии (W ≈ 1,2 %) и при влажности, равной 4, 8 и 12 %. Образцы равномерно увлажнялись с помощью ручного распылителя за несколько приемов, после чего выдерживались в течение трех дней для равномерного распределения влаги по толщине.

Снятие отсчётов производилось как при прямом ходе температуры (охлаждение), так  и при обратном (медленное нагревание образцов при выключенной установке). При этом прямой и обратный графики температурных деформаций практически совпадали.

Результаты определения  КЛТР для кладки из различного вида кирпича в горизонтальном и вертикальном направлениях приведены в табл. 5, в ней же показан процент увеличения КЛТР влажной замороженной кладки по сравнению с сухой. Примеры полученных экспериментальных зависимостей между температурой и деформациями кладки приведены на рис. 8.

Таблица 5.

Коэффициент линейного температурного расширения кладки из кирпича

Проведенные экспериментальные  исследования показали, что КЛТР влажной  кладки значительно увеличивается  при ее замораживании. При влажности 12 % увеличение КЛТР составило от 39 % для красного кирпича в горизонтальном направлении до 92 % для красного щелевого в вертикальном направлении.

 

Рис. 8. Графики температурных деформаций влажной кирпичной кладки в вертикальном направлении (по неперевязанному сечению):

а - из силикатного одинарного кирпича; б - из глиняного полнотелого кирпича;

влажность: ○ - в воздушно-сухом состоянии; ▲ - 4 %; ∆ - 8 %; • - 12 %

Кривая температурного деформирования кладки имеет различный  наклон на участках положительных и  отрицательных температур (рис. 9). Этот излом приводит к тому, что суммарные температурные деформации материала больше, чем по расчету по существующим методикам, и усложняет расчет строительных конструкций на температурные воздействия, т. к. необходимо рассматривать два участка деформирования c различным α_t – до и после замерзания влаги в порах материала.

 

 Рис. 9.

Для того, чтобы упростить расчет и иметь возможность воспользоваться существующими программными комплексами и традиционными методиками для расчета каменных конструкций на температурные воздействия, попытаемся учесть увеличение температурных деформаций кладки при помощи увеличения расчетной отрицательной температуры конструкции.

Рассмотрим  наиболее распространенный на практике случай понижения температуры конструкции от положительной температуры замыкания t_пол до расчетной отрицательной температуры t_отр, приведенную отрицательную температуру обозначим как t_прив. Приведение расчетной температуры осуществляем исходя из условия, что температурные деформации материала в результате воздействия приведенной температуры при неизменном α_{t пол} должны быть равны температурным деформациям при реальном температурном воздействии и переменном коэффициенте линейного температурного расширения:

(3)

Здесь α_{t пол} - коэффициент линейного температурного расширения мате-риала при положительных температурах, α_{t отр} – при отрицательных; Δt_прив -приведенный температурный перепад;

 

- перепад температур, пришедшийся на область положительных  температур;

Δt_отр =t_отр-0 - перепад температур, пришедшийся на область отрицательных