Оценка несущей способности железобетонных сгустителей, усиленных композитными материалами Текст научной статьи по специальности «Строительство и архитектура»

УДК 624.046.2:624.953 КУДРЯВЦЕВ С. В.

Оценка несущей способности железобетонных сгустителей, усиленных композитными материалами

В статье приведены результаты оценки несущей способности строительных конструкций трех монолитных железобетонных сгустителей, усиленных углепластиковыми лентами, и основные инженерные формулы для проверки их прочности и трещиностойкос-ти с учетом усиления.

Ключевые слова: сгуститель, усиление, композитные материалы, несущая способность.

KUDRYAVTSEV S. V.

EVALUATION OF BEARING CAPACITY OF CONCRETE THICKENERS WITH CARBON PLASTIC REINFORCEMENT

In the article presents results of evaluation bearing capacity for three cast concrete thickeners and basic design formulas to check their building structures strength and crack resistance with the influence of carbon plastic reinforcement.

Keywords: thickener, reinforcement, fiber plastic, bearing capacity.

jpt• Тг <^Уі ІЙ .‘і Ш і

Кудрявцев Сергей Владимирович кандидат технических наук, доцент кафедры «Строительные конструкции» УрФУ e-mail: [email protected]

Сгуститель — аппарат для разделения пульп на твердую и жидкую фазы под действием силы тяжести и центробежной силы.

В марте 2011 г., при проведении работ по экспертизе промышленной безопасности трех сгустителей, расположенных в здании главного корпуса флотационной обогатительной фабрики на территории второго рудоуправления ОАО «Уралкалий» в г. Соликамске, возникла необходимость в оценке их несущей способности. Общий вид сгустителя приведен на Иллюстрации 1, а их технические характеристики — в Таблице 1.

Основное назначение рассматриваемых сгустителей — сбор и сгущение пульпы калийных солей в процессе флотации хлористого калия и натрия, которые характеризуются агрессивным воздействием по отношению к железобетонным и стальным конструкциям [1-3].

Конструктивные решения сгустителей

Рассматриваемые сгустители построены и пущены в эксплуатацию в 1972 г. по проекту Всесоюзного научно-исследовательского института галургии (ВНИИГ), г. Ленинград.

Конструктивно сгустители представляют собой монолитное железобетонное сооружение в виде цилиндрической чаши, опирающейся че-

рез кольцевую балку на восемь колонн прямоугольного сечения, расположенных по окружности диаметром 19,4 м, и центральную опору кольцевого сечения диаметром 5,24 м. Пространственная жесткость и устойчивость сгустителя создаются защемлением колонн и центральной опоры в фундаментах. На сгустителях № 1 и № 2 размещена подвижная металлическая конструкция в виде решетчатой фермы с закрепленными на ней скребками, опирающаяся на центральную опору и кольцевой рельс на стенке сгустителя. Скорость вращения скребковой фермы 0,1 м/с.

Фундаменты под колонны и центральную опору сгустителей свайные, ростверки фундаментов монолитные железобетонные, глубина заложения ростверков от поверхности пола различна — от 4,0 до 2,5 м. Сваи железобетонные квадратного сечения 300x300 мм, длиной 11 м.

К 2005 г., т. е. через 33 года функционирования, строительные конструкции сгустителей получили значительные повреждения, препятствующие их нормальной эксплуатации. В конструкциях чаш сгустителей были обнаружены вертикальные трещины раскрытием до 30 мм и радиальные трещины раскрытием до 1 мм. Были обнаружены также продольные трещины в кольцевой балке и колоннах сгустителя, возникшие в результате коррозии рабочей армату-

© Кудрявцев С. В., 2013

91

Иллюстрация 1. Общий вид сгустителя в процессе обследования

Иллюстрация 2. Расчетная модель несущей конструкции сгустителя

ры, и сделан вывод о недопустимом техническом состоянии чаши сгустителя из-за недостаточности армирования чаши вследствие отступления от проекта по количеству и расположению арматуры и большей по сравнению с проектной толщиной защитного слоя бетона [4].

Для обеспечения нормальной эксплуатации в 2005 г. были разработаны технические решения по усилению сечений кольцевой балки, колонн, днища и стенки чаши сгустителей № 1 и № 2 внешним армированием композитными материалами [4]. Ремонтно-восстановительные работы включали:

• удаление участков бетона с нарушенной структурой;

• очистку обнаженной арматуры от продуктов коррозии;

• обработку обнаженной арматуры преобразователями ржавчины;

• обработку поверхности бетона ингибиторами коррозии;

• ремонт поверхности бетона с использованием специализированных высокопрочных составов;

• усиление внутренней поверхности днища сгустителя № 1 слоем высокопрочного бетона толщиной 100 мм, армированного сеткой 200x200 мм из арматуры 012 А400; внешней поверхности днища слоем торкретбетона толщиной 50 мм, армированного сеткой 100x100 мм из арматуры 06 В500;

• усиление внутренней поверхности днища сгустителя № 2 армированной стяжкой толщиной 100-150 мм, внешней поверхности днища — слоем торкретбетона толщиной 30 мм;

• приклеивание специальными эпоксидными составами углепластиковых лент усиления на отремонтированные внутренние и внешние поверхности стенок, а также внутренние поверхности днищ сгустителей;

• усиление кольцевых балок и колонн сгустителей углепластиковыми лентами.

С целью защиты внутренней поверхности чаш сгустителей № 1 и № 2 от воздействия технологических растворов они были покрыты слоем хлорсульфирован-ного полиэтилена.

На сгустителе № 3 были выполнены только подготовительные ремонтные работы по очистке поверхности бетона, удалению участков с нарушенной структурой, очистке обнаженной арматуры от продуктов коррозии. Усиление сгустителя № 3 не осуществлено, и с 2005 г. до момента обследования в 2011 г. он находился в неработающем состоянии и в рамках данной работы использовался как «контрольный образец» для определения схемы армирования, первоначальных (до усиления) прочностных свойств бетона и арматуры рассматриваемых сгустителей.

Таблица 1. Характеристики конструкций сгустителей и примененных материалов

Порядковый номер № 1 № 2 № 3

Заводской номер 198 185Б 185В

Наружный диаметр чаши, м 25,3 25,3 25,3

Высота стенки, м 2,05 2,15 2,4

Номинальная толщина стенки, мм 200 200 200

Толщина днища, мм 450 480 300

Размеры кольцевой балки Ь X h , мм 700x1000 700x1000 700x1000

Размеры колонн Ь X h , мм 600x800 600x800 600x800

Удельный вес пульпы, кг/м3 1 700 1 700 1 700

Композитный материал усиления ЛУ-30 JSUD-200 Нет

Модуль упругости композитного материала усиления Е1, МПа 100 000 240 000 -

Расчетное сопротивление растяжению материала усиления RJ, МПа 1 100 2 495 -

Толщина монослоя композитного материала усиления t), мм 0,17 0,111 -

Иллюстрация 3. Изополя усилий Nx в чаше сгустителя

Иллюстрация 5. Изополя усилий Мх в чаше сгустителя

Моделирование и статический расчет конструкции сгустителя

Для определения расчетных усилий в элементах сгустителей выполнено компьютерное моделирование их несущих строительных конструкций и расчет конечноэлементной модели в программном комплексе Лира 9.6 (Иллюстрация 2).

Конструкции моделировались в натуральную величину. Для элементов опорных колонн и кольцевой балки сгустителя были применены стержневые элементы (КЭ тип 10), для моделирования стенки и днища сгустителя — пластинчатые конечные элементы (КЭ тип 44). Стенка сгустителя разбивалась на 64 элемента по контуру чаши и на 7 элементов по высоте стенки. Днище разбивалось на 25 конечных элементов по радиусу.

В расчете учтены постоянные нагрузки от собственного веса строительных конструкций, временные нагрузки от давления пульпы на стенки и днище сгустителя и кратковременная нагрузка от движения скребковой фермы по стенке сгустителя. Изополя усилий, возникающих в чаше сгустителя от давления пульпы, приведены на Иллюстрациях 3-7.

Оценка несущей способности сгустителей № 1 и № 2 осуществлялась с учетом их усиления композитными материалами, оценка несущей способности сгустителя № 3 проведена для случая восстановления его конструкции по первоначальному проекту (без композитных материалов).

Оценка несущей способности стенки и днища сгустителя

Стенка сгустителя усилена полосами композитного материала, приклеенного с наружной и внутренней сторон чаши в кольцевом направлении. Для надежного соединения полос усиления с бетоном усиляемой конструкции

Иллюстрация 4. Изополя усилий Ny в чаше сгустителя

Иллюстрация 6. Изополя усилий Му в чаше сгустителя

Иллюстрация 7. Изополя усилий Мв чаше сгустителя

кольцевые полосы усиления дополнительно закреплены вертикальными полосами (Иллюстрация 8).

С внутренней стороны днища выполнено увеличение его сечения слоем железобетона и наклейка полос композитного материала в кольцевом и радиальном направлениях. С наружной стороны произведено увеличение сечения днища слоем торкретбетона (Иллюстрация 9).

Стенка и днище сгустителя находятся в условиях сложного напряженного состояния — внецентренно растянуты в кольцевом направлении и внецентренно сжаты в радиальном направлении. Оценку прочности чаши сгустителя следует производить как расчет плоских выделенных элементов на совместное действие изгибающих моментов в направлении взаимно перпендикулярных осей и крутящих моментов, приложенных по боковым сторонам плоского выделенного элемента. Несущую способность усиленного сечения чаши сгустителя можно оценить из выражений:

Ас

і

ах Т ах

1

Ас'

Полосы

композитного

материала

Иллюстрация 8. Поперечное сечение стенки в кольцевом направлении

Полосы

композитного

материала

Ас'

Ас-

Ас

Иллюстрация 9. Поперечное сечение днища в кольцевом направлении

(,и» - Мх) • ( , и* - Му) - Щ > 0 ; (1)

Мхм, > Мх; (2)

Му и» > Му

Мху М1, > Мху

(3)

(4)

Предельные изгибающие моменты можно определить по формулам для внецентренно растянутого и внецентренно сжатого железобетонного элемента с введением дополнительного слагаемого, учитывающего вклад композитного усиления в несущую способность чаши:

Мх ^ Д ,,- • Ае ^, і + Я/и ■ А]

і—і

■( - ах )-ХХ ,і ■ Ах: ,і ■ Zx ,і ; і—і

Му,иі, = Д, ■ь ■х ■(( - 0,5х) +

^ ’ Д,і Asc,i ,

(5)

(6)

где

ДI, I — расчетная прочность I-го слоя растянутой и сжатой арматуры соответственно;

4,-, АС 1 — площади поперечного сечения I-го слоя растянутой и сжатой арматуры соответственно;

,, 1УI — расстояние от I-го слоя арматуры до слоя наиболее сжатой и наиболее растянутой арматуры сечения соответственно;

Л/ - площадь поперечного сечения композитных полос усиления;

с

К/и = кт • -Д - прочность композитного матери-

ей

ала при изгибе;

при растяжении;

кт - коэффициент условий работы композитного усиления, зависящий от жесткости элементов усиления, определяется по п. 4.1.6 [5];

СЕ - коэффициент условий работы композитного материала, для тканого материала из углеродных волокон, эксплуатирующегося в агрессивной среде СЕ = 0 , 8;

Чт = 1,1 - коэффициент надежности композитного материала.

Значения предельных крутящих моментов следует определять по бетону МЬху и11 и по растянутой продольной арматуре Мщ и11 по формулам:

М,

Ьху , иІЇ

0, 1 • Д • Ь1 • к;

,ху,ЫИ — 0 , 5 • Д ■ (А + А,у

■ К

+ 0 ,5 • К/ы • (А& + Аь )■),

(7)

(8)

где Мх = Мх • вх , Му = Му • ву - изгибающие мо-

менты, действующие на выделенный плоский элемент в рассматриваемом сечении чаши, в кольцевом и радиальном направлениях соответственно;

Мх и Му - продольные усилия от внешней нагрузки в кольцевом и радиальном направлениях;

вх и ву - расстояния от точки приложения продольных усилий Мх и Му до центра тяжести сечения наиболее растянутой арматуры в кольцевом и радиальном направлениях соответственно;

Му - крутящий момент от внешней нагрузки;

Мх,,, , МуМ„ , Мху_иВ — пределЬные изГибающие и крутящие моменты, которые может воспринять поперечное сечение чаши.

где Ь и к — меньший и больший размеры плоского выделенного элемента;

Лзх и Лзу - площади сечения продольной стальной арматуры в кольцевом и радиальном направлениях;

Ах и Л^ - площади сечения продольной композитной арматуры в кольцевом и радиальном направлениях.

Трещиностойкость чаши сгустителя, усиленного композитным материалом, в кольцевом направлении можно оценить по формуле [6]

=2,1 •

(9)

где

-Аь- - доля растянутого бетона в сечении; Ь ■ к

ЛЪ1 - площадь части бетона, работающей на растяжение;

х

і = 1

Ь

К, - расчетная прочность композитного материала

х

<хят - суммарный коэффициент армирования железобетонного элемента стальной и композитной арматурой;

щ - периметр поперечного сечения стальной растянутой арматуры;

Ьс - ширина полосы композитного материала, прилегающего к бетонной поверхности;

аск ии - предельно допустимая величина раскрытия трещин, определяемая в соответствии с [7].

Оценку трещиностойкости чаши сгустителя в радиальном направлении можно оценить по формуле (8.128) [7], так как в этом направлении композитные полосы не оказывают усиливающего воздействия.

Оценка несущей способности кольцевой балки сгустителя

Кольцевая балка сгустителя работает по многопролетной неразрезной схеме. Пролетное сечение кольцевой балки подвержено косому внецентренному растяжению. Кроме того, из-за криволинейного очертания продольной оси балки в ее сечениях возникают крутящие моменты. Кольцевые балки сгустителя усилены четырьмя продольными полосами композитного материала (Иллюстрация 10), их несущую способность в середине пролета можно оценить из выражения

М,

+

М„

М„,

< 1,

(10)

Предельный изгибающий момент в вертикальной плоскости Ми11 х определяется по формуле (5), а в горизонтальной плоскости

(11)

Влияние крутящего момента на несущую способность кольцевой балки можно оценить, используя выражение

Т

Т

т

(12)

где

Т

Т - крутящий момент, действующий в сечении;

1 -

Мх

и ТУ

о , у

1 -

м„

му

где Мх = N ■ ех, Му = N ■ еу — изгибающие мо-

менты в рассматриваемом сечении балки, действующие в вертикальной и горизонтальной плоскостях соответственно;

N - продольное усилие от внешней нагрузки;

ех и еу - расстояния от точки приложения усилия N до центра тяжести сечения наиболее растянутой арматуры в вертикальном и горизонтальном направлениях соответственно;

Ми„ х и Ми11 — предельные изгибающие моменты,

которые может воспринять поперечное сечение балки, в вертикальной и горизонтальной плоскостях соответственно.

предельный крутящии момент, воспринимаемый сечением с учетом изгиба в вертикальной и горизонтальной плоскости соответственно;

Т0 х и Т0 - предельные крутящие моменты, воспринимаемые сечением при отсутствии изгибающих моментов в горизонтальной и вертикальной плоскостях.

Оценка несущей способности железобетонных колонн сгустителя

Опорные колонны сгустителя находятся в условиях косого внецентренного сжатия и усилены путем кругового обертывания композитным материалом (Иллюстрация 11). Такой способ усиления ограничивает деформации бетона в поперечном направлении и приводит к увеличению прочности колонны на сжатие. Для элемента, усиленного сплошной композитной обоймой, несущую способность по нормальному сечению можно оценить из выражения

Мх

Мх

Му

М,

у ,иН

< 1,

(13)

где Мх = N ■ ех, Му = N ■ еу- изгибающие момен-

ты в рассматриваемом сечении колонны, действующие в радиальном и кольцевом направлениях соответственно;

2

+

2

k

к

+

Таблица 2. Доли использования несущей способности элементов сгустителей

Порядковый номер сгустителя № 1 № 2 № 3

Прочность стенки - выражение (1) 0,88 0,94 2,00

Трещиностойкость стенки - выражение (9) 0,60 0,68 1,30

Прочность днища - выражение (1) 0,66 0,85 2,29

Трещиностойкость днища - выражение (9) 0,45 0,72 0,95

Прочность кольцевой балки - выражение (10) 0,42 0,52 0,70

Прочность колонны - выражение (13) 0,45 0,45 0,69

N - продольное усилие от внешней нагрузки; вх и ву - расстояния от точки приложения усилия N до центра тяжести сечения наиболее растянутой арматуры в радиальном и кольцевом направлениях соответственно;

Мх и11 и Му и11 — предельные изгибающие моменты, которые может воспринять поперечное сечение колонны в радиальном и кольцевом направлениях соответственно;

к = 3 44 - 0 023 'а д .(0,4-ап )2 + к0 —

0,254 + а 1 ’ п> 0

при ап < 0,4

(1,7-(

- + 0,1775 •( - 0,16) + k0

и k

при аn > 0,4 , но не более 1,6;

а а = R + Asc) . k = 0,275 + а ,

“ Rbbh ’ s Rbbh ' 0 0,16 + а, '

Предельные изгибающие моменты можно определить по формулам для внецентренно сжатого железобетонного элемента с введением коэффициента a , учитывающего влияние композитной обоймы:

Mx.nl, = a • Rb ■ bXx ( - ax - 0 5xx ) + + RscAsc ■( - lax );

My,ul< = a • Rb ■ hxy b - ay - 0,5xy) +

+RSCASC • ( - lay),

(14)

(15)

где a = 2,254.4 Д + 558,18 •R -140,6 •R -1,254;

R = 0,0038 • k1 • R ; k1 = 2 ■ tf ■

b + h

^ bh tf - толщина монослоя композитного материала;

Rf - расчетное сопротивление композитного материала растяжению;

Ь и к - ширина и высота поперечного сечения колонны;

хх и ху - высота сжатой зоны бетона в радиальном и кольцевом направлениях соответственно;

ДС — расчетное сопротивление сжатой арматуры колонны;

Асс — площадь поперечного сечения сжатой арматуры колонны.

Заключение

1 В результате проведенной работы были установлены доли использования несущей способности строительных конструкций сгустителей, приведенные в Таблице 2. Видно, что конструкции сгустителей № 1 и № 2, усиленные композитными материалами, обладают

достаточной несущей способностью для восприятия эксплуатационных нагрузок, в то время как сгуститель № 3, усиление которого не было осуществлено, не обладает необходимой несущей способностью и, соответственно, не может быть допущен к работе.

2 Основываясь на опыте эксплуатации рассмотренных сооружений, можно сделать вывод, что усиление композитными материалами является эффективным и надежным способом увеличения несущей способности строительных конструкций, который может быть рекомендован для применения на других аналогичных конструкциях.

3 Применение композитных материалов позволило существенно увеличить несущую способность конструкций сгустителей, повысить их надежность и конструктивную безопасность, снизить риски возникновения аварий и несчастных случаев, а значит, повысить конкурентоспособность производства и увеличить прибыль предприятия.

4 Проведенная оценка несущей способности сгустителей позволила выполнить комплекс мероприятий по экспертизе промышленной безопасности этих сооружений. Заключения экспертизы промышленной безопасности [1-3] успешно приняты и утверждены в Западно-Уральском отделении Ростехнадзора РФ.

Список использованной литературы

1 Заключение экспертизы промышленной безопасности. ОАО «Сильвинит». СКРУ-2. Флотофабрика. Главный корпус. Сгуститель № 198 в осях П-Ф, 1-6/А. А. Караев, Т. Имашов, С. В. Кудрявцев ; ЗАО «Институт «Про-ектстальконструкция». Екатеринбург, 2011.

2 Заключение экспертизы промышленной безопасности. ОАО «Сильвинит». СКРУ-2. Флотофабрика. Главный корпус. Сгуститель № 185Б в осях Ф-Э, 7-12/А. А. Караев, Т. Имашов, С. В. Кудрявцев ; ЗАО «Институт «Проектстальконструкция». Екатеринбург, 2011.

3 Заключение экспертизы промышленной безопасности. ОАО «Сильвинит». СКРУ-2. Флотофабрика. Главный корпус. Сгуститель №185В в осях Ф-Э, 1-6/А. А. Караев, Т. Имашов, С. В. Кудрявцев ; ЗАО «Институт «Про-ектстальконструкция». Екатеринбург, 2011.

4 Сабиров Р. Х., Чернявский В. Л., Юдина Л. И. Технология ремонта и усиления сгустителей калийной промышленности // Химическая промышленность. 2002. № 2. С. 1-5.

5 Руководство по усилению железобетонных конструкций композитными материалами/ООО «Научно-исследовательский институт высокопрочных систем усиления «ИНТЕР/ТЭК». Екатеринбург, 2010.

6 Шилин А. А., Пшеничный В. А., Картузов Д. В. Внешнее армирование железобетонных конструкций композитными материалами. М., 2007.

7 СП 63.13330.2012. Бетонные и железобетонные конструкции. Основные положения. Актуализированная редакция СНиП 52-01-2003/Минрегион России. М., 2012.