CC BY
32
УДК 624.97.014.2-472.2
В. е. ВОЛКОВА, М. С. ОЛШНИК (Д11Т)
ВИЗНАЧЕННЯ НАПРУЖЕНО-ДЕФОРМОВАНОГО СТАНУ КОНСТРУКЦ1Й 1НЖЕНЕРНИХ СПОРУД. ОПТИМ13АЦ1Я КОНСТРУКТИВНИХ Р1ШЕНЬ
Промислов1 труби е неввд'емною частиною комплексу споруд шдприемств металургшно!, xiMi4HOi й ряду шших галузей промисловосл з моменту ix виникнення. 1х призначення полягае у викид1 на значну висоту в1дход1в виробництва i3 залишковим змютом шквдливих речовин. У статп представлено результата моделю-вання напружено-деформованого стану башти на основ! методу сшнченних елеменпв. Розглянуто та про-анал1зовано 6 BapianriB конструктивного ршення башти, серед яких вар1анти з використанням пол1мер1в.
Ключовi слова: димова башта, напружено-деформований стан, чисельне моделювання, витрати Marepia-л1в, сталь, пол1мери
Промышленные трубы являются неотъемлемой частью комплекса сооружений предприятий металлургической, химической и ряда других отраслей промышленности с момента их возникновения. Их назначение состоит в выбросе на значительную высоту отходов производства с остаточным содержанием вредных веществ. В статье представлены результаты моделирования напряженно-деформированного состояния башни на основе метода конечных элементов. Рассмотрены и проанализированы 6 вариантов конструктивного решения башни, среди которых варианты с использованием полимеров.
Ключевые слова: дымовая башня, напряжённо-деформированное состояние, численное моделирование, расход материалов, сталь, полимеры
Industrial pipes are an integral part of the complex structures of enterprises of metallurgical, chemical and other industries from the moment of their advent. Their purpose is to exhaust industrial wastes with residual content of hazardous substances on a considerable height. The paper presents the simulation results of stress-strain state of the tower based on the finite element method. Six different constructive solutions of the tower including options for using polymers are reviewed and analyzed.
Keywords: exhaust tower, stress-strain state, numerical simulation, expenditure of materials, steel, polymers
Огляд розвитку витяжних споруд
Швидкий рют промисловосл та енергетич-но1 бази протягом останнього стор1ччя , що ви-кликав збшьшення обсяпв специф1чних вщхо-д1в виробництва, висунув у якосл одше! з най-важливших св1тових проблем сучасносл охо-рону чистоти атмосферного пов1тря.
Масштаби забруднення атмосфери I його шюдливих наслщюв у народному господарств1, економщ1 й природ! таю, що боротьба ¿з забру-дненням на сучасному еташ прийняла м1жна-родний характер. Одним з тишв ¿нженерних споруд, за допомогою яких вщходи виробництва ¿з залишковим змютом шюдливих речовин викидаються на значнш висот1, е витяжш башти. Витяжш башти являють собою складш ш-женерш споруди. Витяжш башти зводяться на об'ектах таких основних галузей промисловос-т1, як х1м1чна, чорна й кольорова металурпя, енергетична та ш.
Промислов1 труби е невщ'емною частиною комплексу споруд шдприемств металургшного, х1м1чно! й ряду шших галузей промисловосл з
моменту i'x виникнення. Призначення й умови роботи цих споруд внаслщок безперервного росту промисловосл й удосконалювання технологи перетерплювали icTOTHi змши, що на-кладало певш, мшлив1 згодом вимоги до 1хньо! конструкцп вщносно як матер1ал1в, так i конс-труктивних форм.
Перш1 труби зводили 3i звичайно! червоно! цегли, вони були невелико! висоти. Тенденщя до збшьшення висоти труб виявила основний недолш цегли як буд1вельного матер1алу цих споруд - низький onip стиску. Внаслщок цього виникла потреба в значнш кшькосл високояю-сно1 цегли, сильно зросли обсяг i вага кладки, а звщси й необхщшсть у дорогому фундамент!. Неможливють мехашзацп po6iT 3i зведення труб вимагала висококвал1ф1кованих майстр1в-трубоклад1в. Bei щ фактори р1зко шдвищували варт1сть цегляних труб.
На початку XX ст. з'явився новий, бшьш мщний матер1ал - зал1зобетон, що i став вико-ристовуватися для зведення труб.
Перш1 невдач1 в буд1вницта зал1зобетонних труб пояснювалися вщеутнютю Teopii' розраху-
© Волкова В. е., Олшник М. С., 2011
нку затзобетонних конструкцш. Однак вщпо-вщне коло дослщжень уже в першш чверт1 XX ст. дозволило зведення зал1зобетонних труб висотою бшьше 100 м. Х1м1чш реакцп, що вщ-буваються в стшках труби шд впливом конденсату, руйнують бетон 1 викликають короз1ю ар-матури, що в остаточному шдсумку приводить до руйнування затзобетонно! труби. Таким чином, використання зал1зобетонних труб, що не мають додаткових захисних покритпв, для ви-далення газ1в, що пройшли очищения й збер1-гають певний стушнь агресивносп, виявилося неможливим. Разом з тим, для викиду неагре-сивних в1дход1в виробництва затзобетонш труби досить надшш.
Бшьшють труб зводиться з1 стал1 бо цей ма-тер1ал мае найбшьш шдходящ1 властивосп для такого типу споруд, але вже довгий час ведеть-ся пошук альтернативних вар1анпв, наприклад, у Японп на плавильному завод1 прничорудних шдприемств М1цу! наприюнщ 1971 р. введена в експлуатащю витяжна башта висотою 160 м з газовщвщним стовбуром д1аметром 3 м з пол1-еф1рного скловолокнистого пластику. За конс-труктивним ршенням, залежно вщ ступеня су-мщення технолопчних 1 ¿нженерних функцш у спорущ , промислов1 труби можуть бути роздь леш на три основних типи: вшьно оперт! труби, шдкршлеш труби, витяжш башти.
Конструктивы! ].мшення
Вшьно оперт! труби характеризуються по-вним сполученням технолопчних 1 шженерних функцш, вони переважно використовуються як димов1 труби. Пщкршлеш труби (комбшоваш конструктивы ршення промислових труб) характеризуються тим, що газовщвщш стовбури, виконуючи технолопчш функцп, одночасно беруть участь у робот1 споруди, забезпечуючи разом з шшими несучими елементами споруди його мщшсть, жорстюсть 1 стшюсть.
Витяжш башти являють собою споруди баштового типу, що характеризуються ч1тким подшом шженерних 1 технолопчних функцш 1 складаються ¿з сталево! несучо! конструкцп й одного або деюлькох газовщвщних стовбур1в. Несучою конструкщею, як правило, е гратчаста вежа, а газовщвщш стовбури - елемент технолопчних комушкацш.
Схеми несучо! башти. Вщповщно до геоме-тричних схем несуч1 веж1 можна класифшувати за наступними характеристиками:
- за юльюстю граней - трьох-, чотирьох- 1 багатогранш (з кшьюстю граней бшьше чоти-рьох);
- за конфпуращею башти - без перелом1в граней по висоп й з переломами граней;
- за схемою грат - ¿з хрестовими, ромб1чни-ми й трикутними гратами, кр1м того, певний р1зновид являе вежа з розрщженими гратами.
Поперечна жорстюсть чотиригранних 1 ба-гатогранних веж забезпечуеться д1афрагмами. Вщстань м1ж ними, як правило, в 1,5...2,5 рази перевищуе ширину граш веж1 й становить для розглянутих веж приблизно 6.15 м. Постановка д1афрагм особливо необхщна в площиш зла-му граней вежт
Газовщвщний стовбур витяжно! веж1 знахо-диться шд впливом горизонтальних 1 вертика-льних сил. Горизонтальш силов1 впливи вини-кають вщ тиску впрового потоку й при сейсм1-чних явищах; вертикальш - вщ ваги стовбура, тепло1золяцп, антикорозшного захисту, а також ваги конденсату, пилу й шших вщкладень на його стшках. Застосовуваш схеми опирання газовщвщного стовбура на несуч1 конструкцп веж1 забезпечують, як правило, роздшьну передачу горизонтальних 1 вертикальних силових вплив1в.
Якщо газоходи розташоваш нижче нульово! вщмпки, то газовщвщний стовбур опираеться на самостшний фундамент. Якщо газоходи шд-ходять до газовщвщного стовбуру вище основи веж1, то залежно вщ р1вня уведення газоход1в вш може опиратися одним ¿з трьох способ1в, а саме на самостшний фундамент або на спеща-льну гратчасту опору, розташовану всередиш основно1 несучо! веж1, або на одну з нижшх д1афрагм несучо! веж1 за умови, що витрата ме-талу на цю д1афрагму не буде перевищувати витрати металу на спещальну опору.
Типи перер1з1в пояав, грат 1 д1афрагм. Як вщомо, для високих споруд баштового типу основним розрахунковим навантаженням е вплив швидюсного напору виру на його несуч1 та огороджуюч1 конструкц1!. У зв'язку ¿з цим особливого значения набувае питания вибору типу перер1з1в елемент1в споруди, оск1льки в1д розм1р1в 1 форми прийнятих проф1л1в багато в чому залежить сумарна величина впрового на-вантаження, що д1е на спору ду.
У витяжних вежах, як правило, основна час-тка в1трового навантаження виникае в1д тиску в1тру на газов1дв1дний стовбур, 1 все-таки тип перер1з1в елемент1в несучо! веж1 мае також ¿с-тотний вплив на загальну величину впрового навантаження, отже, й на вагов1 показники споруди в цшому. На основ! узагальнення досв1ду проектування витяжних веж установлено, що вага веж1 з елемент1в хрестового перер1зу пере-
вершуе вагу веж з елеменпв трубчастого про-фшю в середньому на 15...20 %. От чому виб1р профшю елеменпв веж1 повинен бути досить чпко обгрунтований з урахуванням таких пока-зниюв, як витрата металу, його вартють залеж-но вщ профшю, трудомютюсть виготовлення й монтажу, експлуатацшш показники.
Вихщш даш для дослщження
Об'ектом дослщження е витяжна башта га-зотурбшно! електростанцп власних потреб на Ванкорському родовищг Башта висотою 74,5 м з одним газовщвщним стовбуром д1аметром 3,6 м. Несуч1 функцп у споруд1 виконуе гратча-ста чотирьохгранна вежа без зламу граней по висот1 з постшним нахилом граней висотою 67,5 м, схема грат - хрестова з розшрками. Га-зохщ вводиться вище вщм1тки 0,00. Стовбур виконуе функцп елемента технолопчних кому-шкацш та несуч1 функцп для навюно! площадки, вш опираеться на поперечш д1афрагми роз-ташоваш через 12 м , що забезпечують попере-чну жорстюсть споруди. Грати викоиаш з1 спа-рених кутниюв таврового профшю, стшки з труб, для площадок використаш двотаври, кут-ники, швелери.
Несуч1 елементи споруди викоиаш ¿з стал1 клас1в С345-3 та С345-4, другорядш елементи ¿з стат С245, стовбур ¿з стат класу С345-4.
Рис. 1. В1зуал1защя вихвдно! башти в пакет! 3ds Мах Design 2011
Ця робота мае наступи! цш:
- шдб1р пол1мерного матер1алу за вщпо-вщиими вимогами до властивостей;
- оцшка можливосп використання обра-ного пол1меру в якосп конструкцшиого матер1-алу для несучо! веж1 витяжно! башти або окре-мих И частин;
- пор1вняння обрахованих вар1анпв за характером роботи шд навантаженнями , за ви-тратами матер1атв для !х виготовлення та за масою коиструкцш;
В ход1 дослщження визиачеш наступи! вар1ан-ти для пор1вняння:
- металева башта з кутниковою реш1ткою та металевим стовбуром;
- металева башта з трубною реш1ткою та металевим стовбуром;
- металева башта з пол1мерним стовбуром;
- пол1мерна башта з металевим стовбуром та д1афрагмами;
- башта з металевими стшками, д1афраг-мами та пол1мерними елементами фат;
- металева башта з пол1мерною насадкою.
Характеристики матер1ал1в
Для основних несучих металевих елеменпв д1афрагм та стовбура використовуеться сталь класу С345-4 та С345-3 для несучо! башти. В ход1 дослщження було обрано пол1мер для дослщження та розрахунюв, це - пол1амщ ПА-6 «Арамщ» вуглеценаповнений - Арамщ ПА УВ 30, введен! добавки у базовий пол1амщ дозво-ляють ютотно змшити його якосп та надати композищям на його основа
- бшьш високу теплостшкють;
- пщвищити його жорстюсть та мщшсть;
- пщвищити стшкють матер1алу до атмо-сферних фактор1в впливу;
- надати матер1алу властивосн негорючо-сп 1 т.д.
Цей матер1ал мае, пор1вняно, досить висою показники жорсткосп та мщиосп, нормально поводить себе в не обхщних температурних умовах та сприймае атмосферш впливи. Важ-ливим фактором, що вплинув на виб1р матер1а-лу це його довгов1чшсть, яка гарантуеться в залежиосп вщ виробника до 25.30 роюв 1 в цей же час вщповщно до додатку В ДБН В.1.2-2-2006 «Навантаження та впливи» строк екс-плуатацп даного виду споруд складае 30 роюв. Так як дана споруда обслуговуе нафтове родо-вище то для таких споруд немае потреби у про-довженш строку експлуатацп.
Ochobhî положения до моделювання та розрахунку
Для розрахунюв дано! споруди була створена тривишрна модель споруди у програмному комплекс! Autodesk Revit Structure 2011. Ця програма обрана для роботи бо мае зручний та динам1чний штерфейс та необхщш можливосп для под1бного моделювання. Дана програма включае спещал1зоваш функцп для проекту-вання та розрахунку бущвельних конструкцш. В основ! ПК лежить технолопя шформацшного моделювання бущвель (BIM).
Середа концептуального проектування яв-ляе собою р1зновид редактора с1мейств; в нш передбачеш складш засобп i методики розроб-ки нових с1мейств формоутворюючих елемен-tîb, призначеш для проектувальниюв. Принципов! конструкци мютять штелектуальш даш модел1, що дозволяе вносити необхщш змши без повторного створення конструкций
Пюля цього за допомогою спещальних про-грамних надбудов модель створена в Revit Structure ¿мпортуеться у Autodesk Robot Structural Analysis Professional 2011. Ця програма для скшченно-елементного розрахунку i анал1-зу бущвельних конструкцш. 1мпортована модель приводиться до розрахунково1 у нашвруч-ному режиму тобто визначаються типи скш-ченних елеменпв, ïx властивосн, зв'язки м1ж елементами, переробляються tî частини споруди яю були не в1рно ¿мпортоваш або ж tî яю мають вщмшносп у конструктивнш та розра-хунковш схемах.
Рис. 2. Сшнченно-елементна модель башти, створена в ПК Robot Structural Analysis 2011
Модель побудована на поверховому принцип!, тобто створюеться с1тка вертикальних та горизонтальних р1вшв, яю сшвпадають з осно-вними змшами в конструкщях - р1вш площадок, перепади перер1з1в стшок та ш. Основних р1вшв 15 та 4 додаткових.
Опис моделу.
Кшьюсть вузл1в: 4500
Стрижньов1 скшченш елементи: 1138
Площиш скшченш елементи: 3904
Об'емш сюнченш елементи: 0
При моделюванш стрижньов1 сюнченш елементи використовуються для елеменпв не-сучо! башти та д1афрагм, а площинш сюнченш елементи використовуються для моделювання стовбура.
Дослщження напружено-деформованого стану виконувалось для наступних наванта-жень:
- власна вага конструкцш;
- сшгове навантаження;
- корисне навантаження на площадки;
- впрове навантаження;
Власна вага прикладаеться автоматично до кожного елемента з вщповщним коефщ1ентом у розрахунковш программ
Корисне та сшгове навантаження збирають-ся з площ1 ус1х площадок та прикладаються р1-вном1рно розподшеним завантаженням до не-сучих балок площадок.
Основним для цього виду конструкцш е в1т-рове на вантаження, на вщмшу в1д башт та щогл основним е навантаження не на елементи башти, а на стовбур.
Впрове навантаження прикладаеться у ви-гляд1 двох осьових складових ¿з трапещевидних розподшених навантажень до кожного елемента башти.
Впрове навантаження на стовбур прикладаеться у вигляд1 трапещевидного розподшеного по поверхш стовбура завантаження.
Анал1з результате
Вар1анти при яких загальна вага конструкцш зросла не мае сенсу, бо одшею з цшей ви-користання пол1мерних матер1ал1в е зменшення ваги, це вар1анти з повшстю пол1мерною баш-тою та пол1мерною насадкою.
Вар1ант з решпкою ¿з труб економшший за витратами стат на 9 %, але треба враховувати мюце буд1вництва \ доступний для транспорту-вання прокат.
Пол1мерний стовбур дозволяе значно поле-гшити конструкци, бо важить на 85 % менше.
При використанш пол1мерних пов'яз1в зага-льна вага конструкцш знижуеться на 12 %.
Таблиця 1
Зведена таблиця витрат матер!ал!в, кг
№ Арамщ ПА УВ 30 Сталь С345
варшнту Стовбур Башта Стовбур Башта
1 32478 61321
2 32478 53199
3 4913 61321
4 68273 32478 17630
5 11141 32478 38775
6 22094 32478 47241
Висновки
За результатами дослщжень можна визначи-ти наступне. Цшком пол1мерна башта не е до-цшьним ршенням, принаймш для споруд тако! висоти, оскшьки для виконання умов гранич-них перемщень потр1бно через м1рно збшьшу-вати перер1зи. Комбшоваш вар1анти - металев1 стшки 1 пол1мерш пов'язи; металева башта з пол1мерною насадкою; - досить добре працю-ють шд навантаження, мають меншу загальну вагу конструкцш, але вимагають розрахунку у кожному окремому випадку у вщношенш до того яку частину конструкцш можна виконува-ти ¿з пол1мер1в аби споруда виконувала сво! функцп у межах норм. Металева башта ¿з пол1-мерним стовбуром - досить ефективне ршен-ня, окр1м того що пол1мерний стовбур мае при-близно в 6 раз1в меншу вагу вш ще вимагае ме-ншого захисту вщ агресивного середовища, тому що його стшюсть бшьша за стшюсть стат.
Загалом ршення з використанням пол1мер1в можуть бути досить ефективш але мають буду прораховаш для конкретного проекту I розроб-леш бшьш детально шж в межах учбового проекту. До основних питань яю належить вирши-ти вщносяться наступи! вдосконалення методик розрахунюв конструкцш з пол1мер1в, розробка конкретних конструктивних ршень пол1мерних конструкцш, виршення вузл1в металевих та пол1мерних елеменпв, вдосконалення техноло-гш виготовлення пол1мер1в.
Але Bci щ проблеми з часом виршуються, тому що розвиваеться наука, пол1мерш Marepi-али дешевшають з часом, на вщмшу вщ стат, яка буде тшьки дорожчати, бо И поклади не безмежш та виробництво прив'язане до них територ1ально, тому завжди буде стояти питания транспортування.
Пол1мерш споруди - це майбутне буд1вниц-тва, тому щоб наша краша не вщставала вщ св1ту потр1бно вже сьогодш починати активш дослщження з приводу можливосп викорис-тання пол1мер1в в буд1вництв1.
Б1БЛ10ГРАФ1ЧНИЙ СПИСОК
1. Коренев, Б. Г. Динамический расчет сооружений на специальные воздействия [Текст] / Б. Г. Коренев, И. М. Рабинович. - М.: Стройиз-дат, 1981. - 215 с.
2. Солодарь, М. Б. Металлические конструкции вытяжных башен воздействия [Текст] / М. Б. Солодарь, М. В. Кузнецов. - Л.: Стройиз-дат, 1975. - 186 с.
3. Беленя, Е. И. Металлические конструкции [Текст] / Е. И. Беленя, А. А. Васильев, Д. И. Стрелецкий. - М.: Стройиздат, 1976. -588 с.
4. СНиП II-23-81* Нормы проектирования. Стальные конструкции [Текст]. - М.: Стройиздат, 1980. - 70 с.
5. СНиП 2.09.03-85 Сооружения промышленных предприятий [Текст]. - М.: Стройиздат, 1987. -91 с.
6. ДБН В.1.2-2:2006 Система забезпечення надш-ност1 та безпеки буд1вельних об'екпв. Навантаження та впливи. Норми проектування [Текст]. - К.: Мшбуд Украши, 2006. - 60 с.
7. Суханов, В. В. Проектно-вычислительный комплекс Autodesk Robot Structural Analysis 2011 [Текст] / В. В. Суханов.
8. Металлические конструкции (справочник проектировщика) [Текст] : в 3 т. / под ред. В. В. Кузнецова. - М.: Стройиздат, 1998. -102 с.
9. Металлические конструкции. Элементы конструкций. - Т. 1 [Текст] / под ред. проф. В. В. Го-рева. - М.: Высш. шк., 2004. - 552 с.
10. Металлические конструкции. Элементы конструкций. - Т. 3 [Текст] / под ред. проф. В. В. Го-рева. - М.: Высш. шк., 2004. - 275 с.
Надшшла до редколегп 02.12.2010.
Прийнята до друку 21.12.2010.
