vestnikcstroyВестник НИЦ «Строительство»Bulletin of Science and Research Center of Construction2224-94942782-3938АО «НИЦ «Строительство»10.37538/2224-9494-2022-1(32)-103-114vestnikcstroy-176Research ArticleСтатьиМетод стабилизации грунтового основания терморегулируемой пространственной железобетонной фундаментной платформы на вечномерзлом грунтеMethod for soil base stabilization using the thermally controlled spatial reinforced concrete foundation platform in the permafrost soilКлимовА. С.KlimovhA. S.

Климов Алексей Сергеевич - кандидат технических наук, доцент, доцент инженерно-строительного института.

пр. Свободный, д. 79, Красноярск, 660041.

тел.: +7 (904) 893-49-61

Alexey S. Klimov - Cand. Sci. (Engineering), Associated Professor, Associated Professor of the Institute of Civil Engineering, Siberian Federal University.

Svobodny Ave., 79, Krasnoyarsk, 660041.

tel.: +7 (904) 893-49-61

Klimovas_2011@mail.ruТереховаИ. И.TerehovaI. I.

Терехова Ирина Ивановна - кандидат технических наук, доцент инженерно-строительного института.

пр. Свободный, д. 79, Красноярск, 660041.

тел.: +7 (391) 206-28-16

Irina I. Terehova - Cand. Sci. (Engineering), Associated Professor of the Institute of Civil Engineering, Siberian Federal University.

Svobodny Ave., 79, Krasnoyarsk, 660041.

tel.: +7 (391) 206-28-16

iterechowa@sfu-kras.ruКлимоваО. Л.KlimovaO. L.

Климова Оксана Леонидовна - магистрант инженерно-строительного института.

пр. Свободный, д. 79, Красноярск, 660041.

тел.: +7 (391) 206-27-34

Oksana L. Klimova - graduate student of the Institute of Civil Engineering, Siberian Federal University, Krasnoyarsk

Svobodny Ave., 79, Krasnoyarsk, 660041.

tel.: +7 (391) 206-27-34

oksana_88_@mail.ruЧумаковаЕ. В.ChumakovaE. V.

Чумакова Екатерина Витальевна - магистрант инженерно-строительного института.

пр. Свободный, д. 79, Красноярск, 660041.

тел.: +7 (391) 206-27-34

Ekaterina V. Chumakova - graduate student of the Institute of Civil Engineering, Siberian Federal University, Krasnoyarsk

Svobodny Ave., 79, Krasnoyarsk, 660041.

tel.: +7 (391) 206-27-34

katyasprouse@yandex.ruСибирский федеральный университетРоссияSiberian Federal UniversityRussian Federation202214022022321103114Copyright © Климов А.С., Терехова И.И., Климова О.Л., Чумакова Е.В., 20222022Климов А.С., Терехова И.И., Климова О.Л., Чумакова Е.В.Klimovh A.S., Terehova I.I., Klimova O.L., Chumakova E.V.Данная работа распространяется под лицензией Creative Commons Attribution 4.0.This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 License.https://vestnik.cstroy.ru/jour/article/view/176Введение

Введение. Вследствие глобального потепления климата происходит оттаивание вечномерзлых грунтов в северных регионах, а также увеличиваются ветровые и снеговые нагрузки на здания, сооружения и их фундаментные основания. Скопления снеговых осадков создают теплоизолирующий слой, препятствующий замораживанию грунта в холодный период года, а в теплый период года подвергает грунт влагонасыщению, что приводит к деформированию опорных конструкций зданий и сооружений.

Целью исследования является усовершенствование пространственной железобетонной фундаментной платформы жилого здания на вечномерзлом грунте путем обеспечения непосредственного охлаждения нижней железобетонной плиты фундаментной платформы с использованием системы автоматического управления и разработка терморегулируемой оболочки железобетонной фундаментной платформы с возможностью восприятия ветровых потоков и предотвращения сильного снегопереноса в продуваемое подполье.

Материалы и методы

Материалы и методы. Для исследования системы автоматического управления процессом охлаждения грунтов путем обеспечения непосредственного охлаждения нижней железобетонной плиты фундаментной платформы использовалась печатная плата Arduino Uno.

Результаты

Результаты. На основе применяемого оборудования разработана структурная схема экспериментальной установки для фиксирования изменения температур воздуха окружающей среды и вечномерзлого грунта. Для изучения эффективности применения системы автоматического управления процессом охлаждения грунтов путем обеспечения непосредственного охлаждения нижней железобетонной плиты фундаментной платформы, создана модель, реализованная в среде динамического моделирования технических систем SimInTech.

Выводы

Выводы. Предложено новое техническое решение - терморегулируемая оболочка, выполненная из деревянных клееных панелей в виде модуля повышенной индустриализации, образующего с железобетонными плитами замкнутое пространство, причем во всех деревянных клееных панелях, установленных с возможностью восприятия ветровых потоков и предотвращения снегопереноса, встроены регулируемые жалюзийные решетки с электроприводом. Запатентована пространственная железобетонная фундаментная платформа на вечномерзлом грунте.

Introduction

Introduction. As a result of the global warming, the thawing of permafrost soils in the northern regions occurs and leads to naturally increasing wind and snow loads on the buildings, structures, and their foundations. Snow accumulations create a heat-insulating layer preventing the soil freezing in the cold period of the year and moisturize the soil in the warm period, which leads to the deformation of the support structures of buildings and civil engineering works.

Aim

Aim. The study aims at the advancement of the spatial reinforced concrete foundation platform of a residential building on the permafrost soil by providing the direct cooling of the lower reinforced concrete slab of the foundation platform using the system of automatic control, as well as at the development of the thermally controlled shell of reinforced concrete foundation platform with the possibility of the resistance to wind currents and prevention of the massive snow transfer into the ventilated underfloor space.

Methods and materials

Methods and materials. The system of automatic control of the soil cooling process due to the direct cooling of the lower reinforced concrete slab of the foundation platform was studied using the Arduino Uno printed circuit board.

Results

Results. Based on the used equipment, the block diagram of the experimental setup was developed for recording variations in the air and permafrost soil temperature. In order to study the feasibility of the system for automatic control of the soil cooling process due to the direct cooling of the lower reinforced concrete slab of the foundation platform, a model was created and implemented in the SimInTechs environment for the dynamic modeling of technical systems.

Conclusions

Conclusions. As a result, the authors proposed a new technical solution represented by the thermally controlled shell, made of laminated timber in the form of a highly industrialized module forming the enclosed space with the reinforced concrete slabs. In addition, all laminated timber panels, installed with the possibility of resisting to wind currents and preventing the snow transfer, contain the electrically driven adjustable louvered grilles. The spatial reinforced concrete foundation platform on permafrost soil is patented.

фундаментная платформавечномерзлые грунтызданияустройства термостабилизации грунтоввентилируемые подпольяfoundation platformpermafrost soilsbuildingssoil thermal stabilization devicesventilated underfloor spaceReferencesJafarov E.E. Numerical modeling of permafrost dynamics in Alaska using a high spatial resolution dataset / E.E. Jafarov, S.S. Marchenko, V. E. Romanovsky // The Cryosphere. - 2012. - Vol. 6, no. 3. - P. 613-624.Jafarov E.E., Marchenko S.S., Romanovsky V.E. Numerical modeling of permafrost dynamics in Alaska using a high spatial resolution dataset. The Cryosphere. 2012;6(3);613-624. https://doi.org/10.5194/tc-6-613-2012Rotta Loria A.F. A non-linear constitutive model for describing the mechanical behaviour of frozen ground and permafrost / A.F. Rotta Loria, B. Frigo, B. Chiaia // Cold Regions Science and Technology. - 2017. -Vol. 133. - P. 63-69. https://doi.org/10.1016/j.coldregions.2016.10.010.Rotta Loria A.F., Frigo B., Chiaia B.A. non-linear constitutive model for describing the mechanical behaviour of frozen ground and permafrost. Cold Regions Science and Technology. 2017;133:63-69. https://doi.org/10.1016/j.coldregions.2016.10.010Ran Y. Climate warming over the past half century has led to thermal degradation of permafrost on the Qinghai-Tibet Plateau / Y. Ran, X. Li, G. Cheng // Cryosphere. - 2018. - Vol. 2, no. 12. - P. 595-608. https://doi.org/10.5194/tc-12-595-2018.Ran Y., Li X., Cheng G. Climate warming over the past half century has led to thermal degradation of permafrost on the Qinghai-Tibet Plateau. Cryosphere. 2018;2(12):595-608. https://doi.org/10.5194/tc-12-595-2018Амельчугов С.П. Проблемы безопасности зданий арктического региона Восточной Сибири / С.П. Амельчугов, И.С. Инжутов, А.С. Климов [и др.] // Актуальные проблемы обеспечения пожарной безопасности и защиты от чрезвычайных ситуаций. Сборник статей по материалам Всероссийской научно-практической конференции 26 апреля 2019 года, г. Железногорск, Россия. - 2019. - С. 166-172.Amelchugov S.P., Inzhutov I.S., Klindukh N.Yu., Arkhipov I.N., Klimov A.S., Gumennaya E.Yu., et al. Problems of building safety in the Arctic region of Eastern Siberia. In: Actual problems of fire safety and protection from emergencies. Collection of articles based on the materials of the All-Russian Scientific and Practical Conference on April 26, 2019, Zheleznogorsk, Russia. Zheleznogorsk: Siberian Fire and Rescue Academy; 2019, p. 166-172 (in Russian).Nicolsky D.J. Estimation of soil thermal properties using in-situ temperature measurements in the active layer and permafrost / D.J. Nicolsky, V.E. Romanovsky, G.G. Panteleev // Cold Regions Science and Technology. - 2009. - Vol. 55, no. 1. - P. 120-129.Nicolsky D.J., Romanovsky V.E., Panteleev G.G. Estimation of soil thermal properties using in-situ temperature measurements in the active layer and permafrost. Cold Regions Science and Technology. 2009;55(1):120-129. https://doi.org/10.1016/j.coldregions.2008.03.003Филимонов М.Ю. Моделирование термостабилизации грунта при эксплуатации инженерных объектов в условиях арктических и субарктических регионов / М.Ю. Филимонов, Н.А. Ваганова // Экология. Экономика. Информатика. Серия: Системный анализ и моделирование экономических и экологических систем. - 2017. - Т. 1. - № 2. - С. 391-401.Filimonov M.Yu., Vaganova N.A. Modeling of thermal stabilization of soil during the operation of engineering facilities in the Arctic and subarctic regions. Ekologiya. Ekonomika. Informatika. Seriya: Sistemnyi analiz i modelirovanie ekonomicheskikh i ekologicheskikh sistem [Ecology. Economy. Computer science. Series: System analysis and modeling of economic and ecological systems]. 2017;1(2):391-401 (in Russian).Абу-Хасан М.С. Термостабилизация вечномерзлых грунтов при возведении сооружений в северных климатических зонах / М.С. Абу-Хасан, В.В. Егоров, Л.Р. Куправа, Д.Г. Чарник // БСТ: Бюллетень строительной техники. - 2019. - № 4 (1016). - С. 40-42.Abu-Hassan M.S., Egorov V.V., Kuprava L.R., Charnik D.G. Thermal stabilization of permafrost soils during the construction of structures in northern climatic zones. BST: Byulleten' stroitel'noi tekhniki [BST: Bulletin of construction equipment]. 2019;(4):40-42 (in Russian).Суриков В.И. Исследования условий эксплуатации устройств термостабилизации грунтов с учетом воздействия технических объектов на многолетнемерзлые грунты / В.И. Суриков, А.А. Коротков, Е.А. Мельникова // Нефтяное хозяйство. - 2017. - № 8. - С. 116-119.Surikov V.I., Korotkov A.A., Melnikova E.A. Studies of operating conditions of soil thermal stabilization devices taking into account the impact of technical objects on permafrost soils. Neftyanoe khozyaistvo [Oil industry]. 2017;(8):116-119 (in Russian).Inzhutov I.S. A comparative analysis of foundation design solutions on permafrost soils / I.S. Inzhutov, V.I. Zhadanov, M.Yu. Semenov, A.S. Klimov, S.P Amelchugov // E3S Web of Conferences. 2018 International Science Conference on Business Technologies for Sustainable Urban Development, SPbWOSCE 2018. -2019. - No. 110. - P01019. https://doi.org/10.1051/e3sconf/201911001019.Inzhutov I.S., Zhadanov V.I., Semenov M.Yu., Klimov A.S., Amelchugov S.P. A comparative analysis of foundation design solutions on permafrost soils. E3S Web of Conferences. 2018 International Science Conference on Business Technologies for Sustainable Urban Development, SPbWOSCE - 2018. 2019;110;P01019. https://doi.org/10.1051/e3sconf/201911001019.Inzhutov I.S. Research of permafrost soil thawing under the structural foundation platform / I.S. Inzhutov, V.I. Zhadanov, M.Y. Semenov, S.P. Amelchugov [et al.] // IOP Conference Series: Materials Science and Engineering. Novosibirsk, Russia. 2018. - No. 1(456). https://doi.org/10.1088/1757-899X/456/1/012046Inzhutov I.S., Zhadanov V.I., Nazirov R.A., Servatinskii V.V., Semenov M.Yu., Amelchugov S.P. Research of permafrost soil thawing under the structural foundation platform. IOP Conference Series: Materials Science and Engineering. 2018;456. https://doi.org/10.1088/1757-899X/456/1/012046Belash T.A. Earthquake resistance of buildings on thawing permafrost grounds / T.A. Belash, T.V. Ivanova // Magazine of civil engineering. - 2020. - No. 1(93). - P. 50-59. https://doi.org/10.18720/MCE.93.5.Belash T.A., Ivanova T.V. Earthquake resistance of buildings on thawing permafrost grounds. Magazine of civil engineering. 2020;(1):50-59. https://doi.org/10.18720/MCE.93.5.Патент РФ 38789. Сборная пространственная железобетонная фундаментная платформа для строительства многоэтажных зданий в особых грунтовых условиях и сейсмичности / Н.П. Абовский и др.; патентообл.: Красноярская государственная архитектурно-строительная академия. Заявл. 2004107322/22, 11.03.2004, опубл. 10.07.2004. Бюл. № 19.Abovskii N.P., Abovskaya S.N., Matyushenko V.A., Sapkalov V.I., Morozov S.V., Pishutina G.V., Temerova A.S. Prefabricated spatial reinforced concrete foundation platform for the construction of multi-storey buildings in special ground conditions and seismicity. Patent of the Russian Federation no. 38789. Publ. date 10.07.2004 (in Russian).Патент РФ 181936. Ограждающая конструкция вентилируемого подполья / А.С. Климов, М.Ю. Семенов, С.П. Амельчугов, И.С. Инжутов; патентообл.: ФГАОУ ВО «Сибирский федеральный университет». Заявл. 2018112898, 09.04.2018., опубл. 27.07.2018. Бюл. № 21.Klimov A.S., Semenov M.Yu., Amelchugov S.P., Injutov I.S. Enclosing structure of the ventilated underground. Patent of Russian Federation no. 181936. Publ. date 27.07.2018 (in Russian).Патент РФ 2728004. Терморегулируемый ограждающий модуль вентилируемого подполья / А.С. Климов, А.С. Степанян; патентообл.: ФГАОУ ВО «Сибирский федеральный университет». Заявл. 2020105067, 03.02.2020, опубл. 28.07.2020. Бюл. № 22.Klimov A.S., Stepanyan A.S. Thermoregulated enclosing module of the ventilated underground. Patent of Russian Federation no. 2728004. Publ. date no. 28.07.2020 (in Russian).Справочная система SimInTech [Электронный ресурс]. - URL: https://help.simintech.ru/#o_simintech/o_simintech.html (дата обращения: 22.01.2022).SimInTech reference system [Internet]. Available at: https://help.simintech.ru/#o_simintech/o_simintech.html (accessed: 22 January 2022) (in Russian).Патент РФ 2706495. Пространственная железобетонная фундаментная платформа на вечномерзлом грунте / А.С. Климов, М.Ю. Семенов, С.П. Амельчугов, И.С. Инжутов; патентообл.: ФГАОУ ВО «Сибирский федеральный университет». Заявл. 2019119260, 18.06.2019, опубл. 19.11.2019. Бюл. № 32.Klimov A.S., Semenov M.Yu., Amelchugov S.P., Injutov I.S. Spatial reinforced concrete foundation platform on permafrost soil. Patent of Russian Federation no. 2706495. Publ. date 19.11.2019 (in Russian).

The authors declare that there are no conflicts of interest present.