CC BY
9
НАУЧНАЯ СТАТЬЯ / RESEARCH PAPER УДК 624.014
DOI: 10.22227/1997-0935.2023.2.241-253
Расчетное сопровождение реконструкции каркасов действующих металлургических цехов
Ольга Александровна Туснина
Национальный исследовательский Московский государственный строительный университет
(НИУМГСУ); г. Москва, Россия
АННОТАЦИЯ
Введение. Большое количество эксплуатирующихся сейчас в России промышленных сооружений металлургического профиля было возведено в период 1960-1980 гг. В настоящее время такие сооружения требуют масштабной реконструкции, включающей усовершенствование технологического процесса, замену оборудования на более производительное и экологичное, внедрение систем автоматизированного управления. Обновление производственного процесса влечет за собой изменение условий работы каркаса сооружения и действующих на него нагрузок, по сравнению с теми, на которые он запроектирован.
Материалы и методы. Для наиболее корректной оценки распределения усилий и перемещений в элементах каркаса и разработки мероприятий по его усилению целесообразно выполнять пространственный расчет каркаса с использованием конечно-элементного моделирования. При расчете необходимо учитывать требования действующих нормативных документов, которые во многом жестче, чем те требования, по которым каркас проектировался. Результаты. Описан опыт практического расчета каркаса конвертерного отделения конвертерного цеха № 2 ПАО «Новолипецкий металлургический комбинат», выполненного в рамках проекта реконструкции, включающего замену двух конвертеров с газоотводящими трактами и сооружение системы улавливания и очистки неорганизованной эмиссии. Представлены расчетная схема и нагрузки, действующие на каркас конвертерного цеха, результаты расчетов на ^ g основные сочетания нагрузок и прогрессирующее разрушение. С помощью расчетов установлено, что несущая спо- ® Ф собность части конструкций не обеспечена, в связи с чем разработано их усиление. n н
Выводы. Пространственный конечно-элементный расчет позволил на базе корректной оценки напряженно-дефор- ^ | мированного состояния каркаса проанализировать несущую способность конструкций каркаса конвертерного цеха _ и разработать их эффективное усиление, отвечающее требованиям действующих норм. Одними из направлений д S дальнейших исследований представляются уточнения расчета, связанные с учетом фактической жесткости узлов 5) С сопряжения конструкций между собой, оценкой реально действующих нагрузок и учетом включения в работу ограж- • ч дающих и прочих ненесущих конструкций. м I
n S
КЛЮЧЕВЫЕ СЛОВА: реконструкция, усиление, конечно-элементный расчет, конвертерный цех, промышленное h n здание, металлургическая промышленность 1
г CD 0 7
ДЛЯ ЦИТИРОВАНИЯ: Туснина О.А. Расчетное сопровождение реконструкции каркасов действующих металлур- Г 0 гических цехов // Вестник МГСУ. 2023. Т. 18. Вып. 2. С. 241-253. DOI: 10.22227/1997-0935.2023.2.241-253 l з
о ш
Автор, ответственный за переписку: Ольга Александровна Туснина, tusninaOA@mgsu.ru. 3 р
Analysis of frames of operating metallurgical shops under reconstruction
Moscow, Russian Federation
CO CO
Olga A. Tusnina a 6
Moscow State University of Civil Engineering (National Research University) (MGSU); c 0
-H
ABSTRACT • )
Introduction. A large number of industrial metallurgical shops, currently in operation in Russia, were erected in 1960-1980. < Т
Nowadays, these facilities need large-scale reconstruction to improve the production procedure and to install new, high 1 °
performance and environmentally friendly equipment and automated control systems. Higher capacity production requires § 2
a change in the frame behaviour and the loads acting on it, in comparison with the design ones. It should be noted that ф 8 the remaining service life of the frame is coming to an end in the harsh environment of a metal factory, and therefore, it needs a major overhaul and reinforcement to ensure smooth operation under the action of new loads.
Materials and methods. To ensure the most accurate evaluation of forces and displacements in the frame elements and to S П
design its reinforcement, it is advisable to perform a 3D analysis of the frame using the finite element method. This analysis u о
must take into account current regulatory requirements, that are much tighter than those that were in effect when the frame ф к was designed (for example, higher standard snow load, requirements ensuring protection from progressive collapse, higher , ,
values of some reliability factors, etc.). 2 2
Results. The author describes the practical analysis of the frame of converter shop No. 2 at Novolipetsk Iron and Steel 2 2 Works (NLMK), which was part of a reconstruction project, that included replacement of two converters with gas exhaust ducts and construction of a fugitive emission treatment system. The calculation model was described; loads acting on the frame
© О.А. Туснина, 2023 241
Распространяется на основании Creative Commons Attribution Non-Commercial (CC BY-NC)
Ю DO
' B"
of the converter shop were provided; principal combinations of loads and progressive collapse prevention actions were analyzed. The analysis confirmed that the bearing capacity of some structures was insufficient, and therefore, they were to be reinforced.
Conclusions. Proper analysis of the stress-strain state of the frame was made using the finite element method. The bearing capacity of the converter shop frame was analyzed, and its effective reinforcement was designed according to current standards. Further research will be focused on improving the analysis by contributing the actual stiffness of joints, evaluating actual loads and ensuring the combined action of enclosing and other non-bearing structures.
KEYWORDS: reconstruction, reinforcement, finite element analysis, converter shop, industrial building, metal industry
FOR CITATION: Tusnina O.A. Analysis of frames of operating metallurgical shops under reconstruction. Vestnik MGSU [Monthly Journal on Construction and Architecture]. 2023; 18(2):241-253. DOI: 10.22227/1997-0935.2023.2.241-253 (rus.).
Corresponding author: Olga A. Tusnina, tusninaOA@mgsu.ru.
W (0
N N
О О
сч сч сч'сч"
It (V
U 3
> (Л
с и
U 00
. г
« (U
Ф О)
о ё
(Л W
Е О
CL ° ^ с
ю о
S 1
о ЕЕ
fee
О) ^ т- ^
(Л W
Zs
О (Я
ВВЕДЕНИЕ
В настоящее время возрастает необходимость реконструкции действующих промышленных предприятий металлургической отрасли, введенных в эксплуатацию 40 и более лет назад, с целью обновления морально и физически устаревшего оборудования, усовершенствования технологического процесса, улучшения экологических показателей и повышения производительности [1, 2].
При проведении реконструкции металлургических цехов активно внедряются системы автоматизированного управления технологическими процессами газоотводящих трактов, которые позволяют обеспечивать производительность при соблюдении требуемых экологических показателей [3, 4].
Кроме такого обновления, возникает и потребность в ремонте, а часто и усилении существующих строительных конструкций каркаса металлургических цехов, эксплуатирующихся в тяжелых условиях, характеризующихся следующими факторами:
• большие динамические нагрузки от интенсивно работающих кранов грузоподъемностью до 400-450 т тяжелого и особо тяжелого режима работы;
• наличие различного динамического оборудования (конвейеры, транспортеры, весы-дозаторы, различные машины и механизмы, и т.д.);
• непосредственное воздействие огня на некоторые несущие конструкции (например, в конвертерных цехах при устаревшем оборудовании в процессе ускоренной заливки чугуна в конвертер часто наблюдается развитие пламени, поражающее подкраново-подстропильные фермы (ППФ));
• повышенная температура воздуха внутри цеха (по данным службы эксплуатации, внутренняя температура воздуха в складах слябов может достигать 100-120 °С);
• возможные аварийные нагрузки и воздействия (разлив расплавленного металла, взрывы котлов-охладителей и трубопроводов, перекосы и заклинивания кранов, удары транспортируемым грузом по строительным конструкциям и проч. [5]);
• наличие агрессивных коррозионных сред (наблюдается в цехах холодного проката [6]).
Все эти факторы влекут за собой возникновение различных дефектов и повреждений несущих кон-
струкций, развитие коррозионного износа и со временем приводят к исчерпанию эксплуатационного ресурса каркаса. Помимо дефектов, появившихся при эксплуатации, на несущую способность каркаса негативно влияют неудачные конструктивные решения (увеличенные размеры температурных блоков, слабая связевая система, наличие расцентровок и эксцентриситетов и др.), принятые при проектировании, что иногда отмечается в ходе анализа архивной проектной документации и фактически на объекте [7].
При таких тяжелых условиях работы, а также учитывая большую длительность эксплуатации цехов, остаточный ресурс каркасов сегодня находится на грани исчерпания [8-10], в результате чего для предотвращения аварий требуется выполнение ремонта, а часто и усиления несущих конструкций.
Вследствие реализации проектов модернизации производственного процесса, реализуемого в цехе, изменяются нагрузки, действующие на каркас, и условия его эксплуатации. В связи с этим следует осуществлять поверочный расчет каркаса на новые нагрузки с учетом требований действующих нормативных документов, которые в ряде случаев оказываются жестче, чем те, в соответствии с которыми проектировалось сооружение. Можно привести основные изменения нормативной документации:
• увеличение снеговой нагрузки (например, для III снегового района нормативная снеговая нагрузка по сравнению с нормами 1962 и 1974 гг. увеличилась в 1,5 раза — от 100 до 150 кг/м2);
• необходимость учета повышенного значения коэффициента надежности по материалу ym = 1,15 для конструкций, возведенных до 1982 г.;
• увеличение некоторых коэффициентов надежности по нагрузке (например, для ветровой нагрузки коэффициент надежности в нормах 1962 и 1974 гг. составлял 1,2, в действующих ныне нормах он равен 1,4; для крановой нагрузки коэффициент надежности в нормах 1985 г. составлял 1,1, сейчас — 1,2).
Металлургические цеха, в которых выполняются работы, связанные с получением и транспортировкой расплавов металлов, классифицируются как опасные производственные объекты и имеют повышенный уровень ответственности. В соответствии с действующими нормами для сооружений повышенного уровня ответственности необходимо учитывать
коэффициент надежности по ответственности не менее чем 1,1, а также обеспечивать устойчивость каркаса к прогрессирующему разрушению.
Описанные выше требования не учитывались при проектировании, в связи с чем даже при отсутствии дефектов и увеличении нагрузок существующие каркасы промышленных сооружений не всегда отвечают требованиям действующих норм и нуждаются в усилении.
Следует дополнительно отметить, что расчет каркасов при их проектировании в 1950-1980 гг. проводился, как правило, на основе плоских расчетных схем путем выделения из каркаса отдельных типовых поперечных рам. Учет пространственной работы каркаса и отпорного влияния соседних рам возможно было выполнить посредством применения специальных коэффициентов пространственной работы, учитывающих конструктивные решения каркаса, жесткость связевой системы, тип ограждающих конструкций покрытия и геометрические характеристики конструкций [11, 12].
Пространственная работа каркаса одноэтажного промышленного здания наиболее существенно проявляется при действии местных нагрузок, приложенных не ко всем поперечным рамам (таковой, например, является нагрузка от мостовых кранов или иного оборудования). Согласно руководству [13] при расчете рам с шагом колонн 6 м на два крана грузоподъемностью до 100 т включительно учет пространственной работы каркаса допускается не производить, а при кранах грузоподъемностью более 100 т необходимость пространственного расчета должна определяться в каждом конкретном случае.
Расчет отдельных плоских рам обычно дает результаты, которые идут в запас несущей способности, что позволяло игнорировать выполнение пространственного расчета при практическом проектировании. Такой подход являлся достаточно эффективным и давал возможность с достаточной надежностью запроектировать регулярный каркас одноэтажного промышленного сооружения с мостовыми кранами.
Однако для более сложных каркасов, неоднородных как в конструктивном отношении, так и по уровню и локализации действующих нагрузок, выполнение плоского расчета отдельных рам не позволяет точно оценить действительную работу конструкций. Пространственная работа такого сложного каркаса оказывается более комплексной, и ее игнорирование может повлечь за собой недооценку усилий и напряжений в некоторых конструкциях. Примером может служить каркас конвертерного цеха, отличающийся следующими особенностями:
• наличие одноэтажных и многоэтажных участков в составе одного температурного блока;
• большие размеры (ширина поперечной рамы в осях составляет 132 м, высота достигает 83 м);
• неравномерное распределение жесткости несущих конструкций в каркасе: на отдельных участках
достаточно регулярно располагаются рядовые несущие конструкции, а на других — мощные конструкции, обладающие большой жесткостью (например, ППФ, бункерные балки, насыщенные связями встроенные в каркас этажерки сыпучих материалов и прочие подобные конструкции);
• существенно неоднородное действие нагрузок на каркас: наличие зон, насыщенных технологическим оборудованием (газоочистки, площадки котлов-охладителей, этажерка сыпучих, заливочный пролет), и не столь интенсивно нагруженных иных участков (шихтарники, ковшевые пролеты).
В таких каркасах распределение усилий происходит более неравномерно по сравнению с регулярными одноэтажными каркасами из-за активного включения в пространственную работу подкраново-подстропильных ферм, поперечных и продольных связей и других конструкций, обладающих большой жесткостью и концентрирующих усилия на себя. Вместе с тем большие локальные нагрузки от оборудования, действующие на каркас крайне неравномерно, усложняют его пространственную работу, что нельзя игнорировать при расчете.
Применение описанного выше подхода по учету пространственной работы для такого каркаса не представлялось возможным, в силу отсутствия сведений о коэффициентах пространственной работы при одновременном действии разнородных локальных нагрузок на различных участках каркаса, а также ввиду его конструктивной неравномерности.
В связи с этим на практике расчет каркасов конвертерных цехов выполнялся путем рассмотрения отдельных плоских поперечных рам. Помимо заметного в данном случае отличия работы плоской рамы и рамы в составе каркаса, применение плоских расчетных схем не позволяло проанализировать действительное напряженно-деформированное состояние (НДС) подкраново-подстропильных ферм с учетом их включения в пространственную работу каркаса, которое, учитывая существенную жесткость фермы и локализацию в ее зоне больших нагрузок, оказывается весьма значимым.
Таким образом, для обеспечения высокой надежности при проектировании каркасов конвертерных цехов закладывались большие запасы и специальные конструктивные мероприятия, способствующие наиболее эффективной и безопасной работе конструкций. Однако подобные решения принимались исходя из опыта проектирования и с учетом результатов приближенных расчетов плоских рам, а не на основе точного анализа распределения усилий и перемещений в конструкциях каркаса.
Для наиболее корректной оценки несущей способности и определения НДС каркаса и всех его конструктивных элементов необходимо проведение пространственного расчета. В настоящее время с учетом развития численных методов расчета целесообразным представляется пространственный
< п
О Г и 3
0 сл =! со
1 2 У 1
о со
и -
Г I
о 2 О?
о п
СО
со
2 6 >6
1°
• ) а
ю п
■ г
(Л п
(Я у
с о
Ф Ж
о о 10 10 ы ы
(О О
N N
о о
N N
СЧ СЧ
It (V
U 3
> (Л
С И 2
U 00
. г
« (U
I!
<U О)
О ё
(Л
ел
Е о
£ ° с
ю °
S g
о ЕЕ
О) ^
т- ^
(Л
ел
■8 El
О И №
расчет с использованием конечно-элементного моделирования [14-16].
В статье описан опыт практического расчета каркаса конвертерного отделения конвертерного цеха № 2 ПАО «Новолипецкий металлургический комбинат» (далее — НЛМК), выполненного при участии в реализации проекта реконструкции конвертерного цеха № 2 НЛМК: комплекс работ по замене конвертеров № 2, 3 с газоотводящим трактом и сооружением системы улавливания и очистки неорганизованной эмиссии. Генеральным проектировщиком являлся НЛМК-Инжиниринг.
В рамках реконструкции произведена замена двух конвертеров на современные агрегаты емкостью 330 т, для каждого из которых заменены газоотводя-щие тракты и установлено новое пылегазоулавлива-ющее оборудование с двухступенчатой технологией мокрой газоочистки. По результатам проведенной модернизации производительность цеха увеличилась на 15 % (до 10 млн т стали в год) с одновременным снижением воздействия на окружающую среду — более эффективная система газоочистки обеспечила улавливание 99,9 % пыли, что соответствует лучшим мировым практикам и подтверждено гарантийными испытаниями.
^ МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДЫ
Здание конвертерного отделения конвертерного цеха № 2 ПАО «НЛМК» введено в строй в 1974 г. Автором исходного проекта в части металлических несущих конструкций каркаса являлся Центральный научно-исследовательский и проектный институт строительных металлоконструкций имени Н.П. Мельникова (ЦНИИПСК им. Н.П. Мельникова). Конвертерный цех — опасный производственный объект (класс сооружения КС-3, уровень ответственности — повышенный).
Конвертерное отделение имеет сложную форму в плане с размерами 340 х 132 м, является многопролетным и разнородным по высоте: от 30 м — одноэтажные ковшевой и скраповые пролеты, до 83 м — этажерка мокрой газоочистки и котла охладителя.
В конвертерном цехе эксплуатируются три конвертера, которые располагаются по одному из средних рядов колонн — ряду Г. Для возможности размещения конвертеров предусмотрены ППФ пролетом 36 м с нижним ездовым поясом на отм. +30,000 под пути заливочных кранов грузоподъемностью 400 т особо тяжелого режима работы 8К.
В рамках проведения работы по расчету каркаса на основе архивной проектной документации конструкций металлических (КМ) и конструкций металлических деталировочных (КМД), а также данных обследования была разработана пространственная расчетная конечно-элементная модель стального каркаса конвертерного отделения конвертерного цеха № 2 НЛМК, включающая все основные несущие конструкции (рис. 1). Расчетная модель выполнена
с использованием программного комплекса SCAD Office 21.1.
Основные несущие конструкции цеха моделировались стержневыми конечными элементами (КЭ). Сдвиговой диск покрытия из металлических щитов, приваренных к стропильным фермам в четырех углах, учитывался со своей фактической жесткостью с использованием метода шарнирно-стержневой аппроксимации [17]. Аналогично учтены и сдвиговые диски перекрытий рабочих площадок, выполненные из стального настила либо железобетонной монолитной плиты.
Существенное влияние на работу каркаса оказывает наличие в его составе по средним рядам ППФ. Фермы имеют развитое в двух направлениях коробчатое сечение нижнего пояса, габаритами ширина 2000 х высота 2880 мм, обладающее большой жесткостью, в том числе на кручение, решетка выполнена из сварных двутавров, высотой 1000 мм, ориентированных стенкой из плоскости фермы. Подкраново-подстропильная ферма обладает значительной изгиб-ной жесткостью из плоскости и активно вовлекается в пространственную работу каркаса. Для моделирования нижнего пояса ППФ использовались плоские КЭ оболочки [18].
На рис. 2 показан фрагмент расчетной модели в зоне опирания ППФ на основные колонны каркаса.
Из-за внушительных размеров конвертерного отделения и насыщенности его конструкциями составленная расчетная модель обладает большой размерностью (около 141 000 КЭ и 102 000 узлов, 3542 типа жесткостей).
Разработанная пространственная модель конвертерного отделения использовалась проектировщиками НЛМК-Инжиниринг как основа при формировании совокупной информационной 3D-модели конвертерного цеха, включающей строительные конструкции, технологическое оборудование, трубопроводы, газоходы и т.д.
Применение такого комплексного BIM-подхода позволило снизить сроки проектирования и монтажа конструкций, выявить и устранить пространственные коллизии строительных конструкций и технологического оборудования. Составленная информационная модель является уникальной для подобного размера и сложности производственных сооружений.
На каркас конвертерного отделения действует немалое количество технологических нагрузок от различных машин и механизмов (мостовые краны, сцепки чугуновозов на рабочей площадке на отм. +11,500, машины подачи кислорода, машина футеровки конвертера, тележка отбора проб, тележка подачи ферросплавов и т.д.), оборудования мокрой газоочистки и котла-охладителя, трубопроводов, газоходов, конвейеров, бункеров и т. д. Некоторые из нагрузок являются знакопеременными и динамическими. Одни из наиболее влияющих на НДС каркаса — нагрузки от мостовых кранов.
LO C\J
Рис. 1. Общий вид расчетной схемы конвертерного отделения конвертерного цеха № 2 Fig. 1. General layout of the frame structure of converter shop No. 2
W (0 N N О О
сч сч сч'сч"
It (V U 3 > (Л
с и
U 00 . г
« (U
I!
Ф О)
о %
(Л (Л
Е о
DL° ^ с
ю о
s 1
о ЕЕ
fee
СП ^ т- ^
<л
(Л
£ W
Si
О И
Рис. 2. Фрагмент расчетной модели в зоне опирания подкраново-подстропильных ферм на колонны каркаса: 1 — опорный раскос ППФ; 2 — нижний пояс ППФ; 3 — подкрановая балка завалочного крана; 4 — вертикальные связи; 5 — двухветвевая колонна каркаса
Fig. 2. Extract from the finite element model showing crane secondary trusses supported by the frame columns: 1 — support brace of the crane secondary truss; 2 — lower chord of the crane secondary truss; 3 — crane beam of charging crane; 4 — vertical braces; 5 — double frame column
В ковшевом (А-Б) и шлаковом (Б-В) пролетах работают краны режима 7К грузоподъемностью 125 т. В загрузочном (В-Г) пролете работают заливочные краны режима 8К грузоподъемностью 400 т, а также полупортальные машины для завалки скрапа в конвертер грузоподъемностью 130 + 130 т режима рабо-
ты 8К. В конвертерном (Г-Д) пролете функционируют фурменные краны грузоподъемностью 80 и 100 т режима 5К. В скраповых пролетах (Ж-У) действуют краны грузоподъемностью 130 т режима работы 7К. Схема кранового оборудования конвертерного отделения конвертерного цеха № 2 приведена на рис. 3.
Z 'ON doijs юцэлиоэ ш jno/fej jusiudmbs эишэ ■£ Z q|\[ exsIi QjoHdsxdsaHO^ кинвао^Модо ojoaomdx виэхэ •£ -эид
■ -1— i--j- -—f--f—I—I-,—f-ч -i— |-H —i-т|------—- ----umiutfauujj--.— --- ----1-
it- сф=>—j—i—i-i-i 4f Ksdsirej KBHqiraxHHHfson
! И.....н t
IRr ¡И1 H if SAi i PA H HA X Г
-L-^. Hat
■ щ и
-I ^T Г 1 -1 (=4
Ящ 8bjs j \\/t 1
F^l
xairodn ИНЯОНВ1ГЩ
fT—i—
Ж _) .
jffi ГМет!
i j iLjl-^ lllAi si
! /I
§ v
irk
I «01 "ft
«fcfcl I I I
«ffiiisb.!^ ! I
iX'
ы m \
i
K7\<. j!\A{= j V
i ilAfc ¡AM i J
i i r—i—, ? t г t, ,«
! 1Щ
^te [щ j П
,Xj И |j| j
(p© ©
K" 71 |
A / ; 1
IЖ
------(Э/Н)
1 Z i\i _ _
_____A.!_-BJf___-L-_____.Щ
'«•¿Ц---J----i---J---L---i---i--
Uoijs аэцэлшэ :
'в
¡uuS "/•! Ibis и /г
jQeq d^jos :T
usirod^i HHaonBd^3 iI \
т _'
\\ ?\ I IMffir
I
эинэиэКю aoHdsidsHHo^f
-П—Л- --I-.-1-
—f[—
bv/t Ш
---1---1----r—r-—ЪЖ 41 «Щ" 7
—t—|—|—|—.t Щ i
©
clous рзэгавцээшоцээр sip jo joo-g
1_I_I_L
X
\ КШрЙЮЖШ ВПШ(1з
—rl------!-----i—4-—f-----i-—j-——{—j-----j—
i 1 Ё j i i j i j
1
ofr
\ 4! AH
I I
iVj¥ Ms g/J»s a/ai
A|| jAAUqdatoh
■ ■J !' 'keE^dn инао^гейяэ
" 0003
0' "JU СI UUUCl UUUCl UUUCl UUUCl UUUCl UUUCl UUl
© © © © ® 0 ©
-
-
++
ооог
000 Zl 000 Zl 000 Zl 000 Zl 000 Zl 000 Zl 000 Zl 000 Zl 000 Zl OOOZI 000ZI 000 Zl 000 Zl 000 Zl 000 Zl 000 Zl 000 Zl 000 Zl 000 Zl 000 Zl 000 Zl 000 Zl 000 Zl 000 Zl 000 Zl 000 Zl 000 Zl 000 Zl
©©©© ©(&©©©©©©©©€)© ©@(5)® © © ©
(О О
N N
о о
N N
СЧ СЧ К (V и 3 > (Л
с и
и 00
. г
« <и
I!
Ф О)
о ё
(Л
ел
Е о
£ ° с
ю о
£ !
о ЕЕ
О) ^
т- ^
(Л
ел
■8 £
Е!
О И №
Учитывая значительное количество кранов (более четырех) тяжелого и особо тяжелого режимов работы, которые по условиям технологии производства могут находиться с грузами на одной поперечной раме, наличие кранов на разных отметках в одном пролете, были определены наиболее опасные для каркаса и соответствующие реальным условиям эксплуатации схемы действия крановых нагрузок на каркас.
С использованием технологических заданий на новое оборудование и архивных данных о действующем оборудовании выполнены сбор и анализ нагрузок, действующих на каркас конвертерного отделения. На основе анализа составлено необходимое количество загружений (150 шт.), достаточное для наиболее полного учета всех возможных ситуаций, возникающих при эксплуатации, ремонте и замене оборудования конвертерного цеха, таким образом, чтобы обеспечить несущую способность каркаса цеха на всех этапах его реконструкции и эксплуатации.
Формирование расчетных сочетаний загружений осуществлялось на базе действующих нормативных документов (СП 20.13330 «Нагрузки и воздействия») с учетом сведений службы эксплуатации цеха о возможности и вероятности совместной работы оборудования.
; _ РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЯ
По результатам выполненного расчета на основные сочетания нагрузок установлено, что несущая способность ряда ключевых несущих конструкций каркаса не обеспечена (рис. 4).
Некоторые из следующих конструктивных элементов каркаса на отдельных участках перегружены:
• колонны (около 10 % основных колонн каркаса) —перенапряжение до 20 % по прочности и до 40 % по устойчивости;
• вертикальные связи по колоннам перегружены по критерию устойчивости до 2-х раз;
• горизонтальные и вертикальные связи по фермам перегружены по критерию устойчивости в 2,5 раза;
• раскосы и пояса стропильных ферм перегружены по устойчивости до 40 %;
• балки рабочих площадок (около 10-15 % балок во всем каркасе) перенапряжены по прочности до 20 %;
• подкраново-подстропильные фермы с учетом износа и усталостных повреждений перенапряжены до 1,5 раз.
Таким образом, получено, что из всего каркаса (общая металлоемкость основных несущих конструкций составляет около 13 600 т) не обеспечена несущая способность 1466 т конструкций — порядка 11 % всех конструкций перенапряжены.
Выявленная с помощью расчета недостаточная несущая способность конструкций объясняется изменением и перераспределением действующих на-
грузок, связанным с реконструкцией, изменением нормативных документов в части увеличения некоторых нагрузок и коэффициентов, а также особенностями конечно-элементного пространственного расчета, который позволил учесть включение в совместную работу всех конструкций каркаса при различных сочетаниях нагрузок. Так, например, по результатам проведенного расчета получено, что горизонтальные поперечные крестовые связи по покрытию, расположенные в торцах температурных блоков, призванные работать только на восприятие горизонтальных воздействий, включаются в работу также и на вертикальные нагрузки, действующие на покрытие (снеговая, постоянная и проч.), в результате чего в связях возникает сжатие [19]. Это сжатие может превосходить растяжение от действия горизонтальных нагрузок, и в таком случае обе диагонали связей в ячейке могут одновременно потерять устойчивость, что не соответствует принимаемому при проектировании допущению для крестовых связей, когда одна из диагоналей работает на растяжение. Крепление связей на обычных болтах нормальной точности обладает определенной податливостью за счет зазоров в отверстиях, в результате чего включение связей в работу на вертикальные нагрузки будет менее явным. Однако для зданий с кранами большой грузоподъемности и тяжелого режима работы крепление горизонтальных связей по нижним поясам ферм должно выполняться на монтажной сварке либо высокопрочных болтах с контролируемым натяжением, что указано в типовых сериях конструкций покрытий и справочниках проектировщиков [20]. Такое соединение является сдвигоустойчивым и ма-лодеформативным, и связи полноценно включаются в работу на все нагрузки, теряют устойчивость, и тем самым формируется существенное отличие работы каркаса от расчетных предпосылок, принимаемых при его проектировании.
Тем не менее на практике полученное в результате выполненного пространственного расчета перенапряжение части конструкций не привело к разрушению каркаса и не нарушило его нормальную эксплуатацию. Это может быть обусловлено следующими причинами:
1. Конструктивные решения каркаса, насыщенность его связями и прочими конструкциями обеспечивают эффективное перераспределение усилий, которое происходит при выключении из работы какого-либо элемента, к примеру из-за его потери устойчивости. Необходимо отметить хорошее совпадение данных обследования с результатами расчета — например, диагонали крестовых связей, устойчивость которых по расчету не обеспечена, по факту также имеют искривленную форму, характерную для потери устойчивости (рис. 5).
2. Стальные конструкции из сталей с физическим пределом текучести обладают резервами в части возможной работы с учетом развития пластики.
Рис. 4. Результаты расчета существующих конструкций каркаса конвертерного цеха № 2 на действующие и проектные нагрузки
Fig. 4. Results of analysis of actual and design loading of frame structures of converter shop No. 2
Рис. 5. Потеря устойчивости горизонтальной связи: a — данные обследования; b — результат расчета (коэффициенты использования)
Fig. 5. Horizontal brace buckling failure: a — examination data; b — calculation result (usage factors)
3. В реальности узловые соединения отличает определенная податливость, в результате чего усилия в элементах фактически могут оказаться несколько меньше, чем полученные по результатам расчета идеализированной расчетной модели.
4. Возможность того, что наиболее опасные расчетные ситуации и сочетания нагрузок, определенные в соответствии с нормами, обладая невысокой вероятностью, в реальности не возникали.
5. Большое количество коэффициентов надежности, принимаемых по действующим нормам, в совокупности при расчете формируют существенный запас, по сравнению с реальными условиями работы конструкций при фактически действующих нагрузках.
< п
tT
iH k| m, О Г
S 2
О м
n S
У
J CD
U -
> i
П о
» 3
о »
oî
о n
Все эти факторы, несмотря на выход из строя некоторых элементов, обеспечили безаварийную работу каркаса в целом на восприятие фактически действовавших при эксплуатации нагрузок. Однако игнорировать полученные результаты расчета неправильно, выполнение усиления проблемных конструкций и узлов является обязательным для достижения требуемой действующими нормативными документами надежности сооружения.
По результатам расчета было разработано усиление существующих конструкций каркаса конвертерного цеха, в том числе ППФ. Расчеты усиленного каркаса (рис. 6) подтвердили его несущую способность при действии эксплуатационных нагрузок, а также устойчивость к прогрессирующему разрушению [21].
со со
n M » 0
» 6 >6
1°
• )
e8 8
Ю DO
■ т s п
s У
с о
<D Ж
м 2 о о to M w w
Рис. 6. Результаты расчета усиленного каркаса конвертерного цеха № 2 на действующие и проектные нагрузки, в том числе на прогрессирующее разрушение
Fig. 6. Results of analysis of the reinforced frame of converter shop No. 2, taking account of exiting and design loads, including progressive collapse
W (0
N N
О О
N N
ci ci к ai и з
> (Л
с и ta со
. г
8e
I!
Ф О)
О %
(Л (Л
Е о
DL° ^ с
ю о
s !
О Е
fee
СП ^ т- ^
<л
(Л
« * Si
О И
Реконструкция проводилась в условиях действующего в цеху производства, когда остановке подвергался только один реконструируемый конвертер. В связи с этим, кроме расчетов на основные эксплуатационные нагрузки, выполнялись расчеты на различные монтажные ситуации, которые возникали при реконструкции, с учетом фактически действующих нагрузок. При этом непосредственно сами несущие конструкции каркаса и работающее в нем оборудование использовались при строительно-монтажных работах в процессе реконструкции. Так, например, монтаж конвертера осуществлялся с помощью двух мостовых заливочных цеховых кранов, которые перемещались по еще не целиком замененному нижнему поясу ППФ, находящейся в процессе усиления. Проведенные расчеты подтвердили возможность монтажа, и он был успешно выполнен.
Разработанная проектная документация по усилению каркаса получила положительное заключение Главгосэкспертизы. Реконструкция, включая усиление каркаса, успешно реализована в полном объеме в период с 2019 по 2021 гг.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ И ОБСУЖДЕНИЕ
Большие, заложенные при проектировании и основанные на инженерном опыте запасы, грамотные конструктивные решения, хорошее качество изготовления и монтажа конструкций обеспечили фактическую надежность стального каркаса конвертерного цеха № 2 ПАО «НЛМК», что подтвердил опыт его длительной безаварийной эксплуатации. Рассмотренный каркас обладает высокой живучестью: как показали результаты расчетов на прогрессирующее разрушение, при всех исследуемых аварийных ситуациях, связанных с разрушением одного из несущих элементов каркаса (различные элементы колонн,
ферм, связей), не потребовалось выполнение каких-либо дополнительных конструктивных мероприятий для обеспечения устойчивости каркаса к прогрессирующему разрушению.
Однако по результатам пространственного расчета, проведенного с использованием метода конечных элементов с учетом действующих норм, получено, что несущая способность не всех существующих конструкций обеспечена, поэтому потребовалась разработка усиления перегруженных элементов каркаса. Результаты расчета хорошо совпали с данными обследования: зачастую дефекты и повреждения при обследовании отмечались именно на тех конструкциях, несущая способность которых по результатам расчета не обеспечена.
Таким образом, выполненный пространственный расчет стального каркаса конвертерного цеха позволил:
• учесть действительную совместную работу всех несущих конструкций каркаса и получить достаточно корректную для оценки ресурса конструкций картину распределения усилий и перемещений в элементах каркаса при действии различных сочетаний нагрузок;
• проверить несущую способность существующих конструкций каркаса на действующие и новые нагрузки после реконструкции с учетом требований актуальных нормативных документов;
• определить наиболее нагруженные конструкции и проблемные зоны каркаса, требующие усиления;
• разработать эффективное усиление каркаса и проверить его достаточность и соответствие действующим нормативным документам;
• провести необходимые дополнительные расчеты на различные монтажные ситуации, возникающие при реконструкции, принимаемые по заданию
заказчиков и строительно-монтажнои организации, с учетом фактически действующих нагрузок при реализации реконструкции в условиях действующего в цеху производственного процесса;
• проверить устойчивость каркаса к прогрессирующему разрушению при возникновении различных аварийных ситуаций, связанных с начальным локальным разрушением элементов несущих конструкций.
Все допущения и упрощения при расчете принимались в запас несущей способности, в связи с этим выполненный расчет дает возможность гарантировать высокую обеспеченность результатов, требуемую надежность и безопасность принятых при усилении конструктивных решений.
Тем не менее усиление некоторых конструктивных элементов на практике оказывается тяжело реализуемым, а иногда и невозможным из-за трудно-доступности конструкций или особенностей их эксплуатации в действующем производственном процессе. За счет выполнения более точного расчета и выявления всех резервов несущей способности конструкций можно добиться уменьшения объема
работ по усилению или разработать компенсирующие мероприятия для разгрузки перенапряженных конструкций. Важно правильно моделировать поведение несущей системы с учетом:
• фактической податливости узловых соединений (например, болтовых соединений на срезных болтах);
• эмпирического уточнения действующих на эти конструкции нагрузок;
• включения в работу ограждающих или внутренних ненесущих конструкций в этой зоне.
Следует отметить, что каркас и производственный процесс претерпевают постоянные изменения, в связи с чем расчетное сопровождение необходимо продолжать и после завершения реконструкции при дальнейшей эксплуатации цеха. При этом все изменения, происходящие с производственным зданием, должны учитываться и в расчетной, и в информационной модели сооружения. Уточнение расчетной схемы и учет дополнительных названных выше и иных факторов являются актуальным направлением дальнейших исследований.
СПИСОК ИСТОЧНИКОВ
1. Гладских В.И., Дробный О.Ф., Ласьков С.А., Черчинцев В.Д. Совершенствование систем промышленной и экологической безопасности ОАО «Магнитогорский металлургический комбинат» как обязательное условие его устойчивого развития // Вестник Магнитогорского государственного технического университета им. Г.И. Носова. 2014. № 1. С. 107-111.
2. Полторацкий Л.М., Барнаев И.А. Состояние и перспективы развития инновационного потенциала в металлургической отрасли России (ЗападноСибирский металлургический комбинат, Россия) // Металлургия-Интехэко-2008 : сб. докл. Междунар. конф. 2008. С. 51-53.
3. Кривоносов А.И. Автоматизированные системы управления технологическими процессами газоотводящих трактов конвертеров // XV Между-нар. конгресс сталеплавильщиков : сб. тр. 2018. С. 512-518.
4. Сталинский Д.В., Пирогов А.Ю., Рыжав-ский А.З., Кривоносов А.И., Криволапов А.Е., Каплунов Ю.В. Обеспечение заданных экологических и энергетических показателей работы газоотводящих трактов конвертеров путем создания современных систем АСУ ТП // Экология и промышленность. 2009. № 3. С. 20-24.
5. Жужуев Р.А., Дорфман Н.Н. Выявление возможных аварийных ситуаций при производстве стали, их классификация и систематизация // Проблемы обеспечения безопасности при ликвидации
последствий чрезвычайных ситуаций. 2017. Т. 1. С. 1025-1030.
6. Колобанов А.С., Тарасова Н.В., Сабитов Л.С. Возможности повышения коррозионной стойкости строительных конструкций, работающих в условиях агрессивных производственных сред // Строительство и архитектура. 2020. Т. 8. № 3 (28). С. 29-25. DOI: 10.29039/2308-0191-2020-8-3-29-35
7. Пермяков М.Б., Мышинский М.И., Степочкин В.М., Гибадуллин Р.Ф., СагитдиновР.А. Повреждаемость и причины аварий в металлургической промышленности // Современные инновации. 2016. № 3 (5). С. 17-20.
8. Байбурин Д.А., ТупицынаД.С. Частотность дефектов и повреждений промышленных зданий // Вестник ЮУрГУ. Серия «Строительство и архитектура». 2022. Т. 22. № 1. С. 23-32. DOI: 10.14529/ build220103
9. Золина Т.В. Оценка остаточного ресурса промышленного здания с мостовыми кранами в процессе его эксплуатации // Инженерно-строительный вестник Прикаспия. 2019. № 3 (29). С. 6-16.
10. Zolina T.V., SadchikovP.N. Residual resource of a one-storey steel frame industrial building constructed with bridge cranes // Magazine of Civil Engineering. 2018. Vol. 84. Issue 8. Pp. 150-161. DOI: 10.18720/ MCE.84.15
11. Беленя Е. И. Действительная работа и расчет поперечных рам стальных каркасов одноэтажных
< п
tT
iH О Г
0 w
t CO
1 z y i
J CD
U -
> i
n °
A 3
0 A
01
о n
CO CO
n NJ
A 6 >6
• )
[5
® 8
Ю DO
■ T
s У
с о
<D X
о о
10 10
u w
производственных зданий : автореф. дис. ... д-ра техн. наук. М., 1959. 26 с.
12. Беленя Е.И. Исследования действительной работы стальных каркасов производственных зданий — исходная база при реконструкции промзда-ний // Промышленное строительство. 1982. № 2. С. 12-14.
13. Стрелецкий Н.С. Стальные конструкции покрытий одноэтажных промышленных зданий. М. : Госстройиздат, 1952. 383 с.
14. Cacho-Perez M. Design and analysis of an industrial steel building. Limit states, stability check // Engineering Structures. 2017. Vol. 153. Pp. 342-353. DOI: 10.1016/j.engstruct.2017.10.025
15. Jayasidhan A.K., Joy A. Analysis and design of a industrial building // International Journal of Engineering Research and Technology (IJERT). 2015. Vol. V4. Issue 03. DOI: 10.17577/ijertv4is030444
16. Patel A., BajajR. Structural analysis and design of an industrial building // International Journal for Scientific Research and Development (IJSRD). 2017. Vol. 5. Issue 04. Pp. 1543-1545.
17. Tusnina O. Shear stiffness of the steel roof panels // Advances in Intelligent Systems and Computing. 2020. Pp. 639-647. DOI: 10.1007/978-3-030-19756-8_60
18. Tusnina O. Finite element analysis of crane secondary truss // Magazine of Civil Engineering. 2018. Vol. 77. Issue 1. Pp. 68-89. DOI: 10.18720/MCE.77.7
19. Туснина О.А. Работа связей в покрытии промышленного здания со стальным каркасом // Промышленное и гражданское строительство. 2019. № 1. С. 37-42.
20. Справочник проектировщика промышленных, жилых и общественных зданий и сооружений. Металлические конструкции промышленных зданий и сооружений / под ред. Н.П. Мельникова. М. : Госстройиздат, 1962. 618 с.
21. Туснина О.А., Павлов С.А. Оценка устойчивости к прогрессирующему обрушению каркаса конвертерного цеха // Вестник гражданских инженеров. 2019. № 6 (77). С. 114-122. DOI: 10.23968/1999-55712019-16-5-114-122
(О (О
N N
О О
N N
СЧ СЧ
К <D U 3
> (Л
с и
НО 00 . г
в щ
!!
Ф О)
О ё
<л
(Л
Е о
DL° ^ с
ю о
s 1
о ЕЕ
fee
СП ^ т- ^
<л
(Л
г
S1
О И
Поступила в редакцию 23 декабря 2022 г. Принята в доработанном виде 30 декабря 2022 г. Одобрена для публикации 6 февраля 2023 г.
Об авторе : Ольга Александровна Туснина — кандидат технических наук, доцент, доцент кафедры металлических и деревянных конструкций; Национальный исследовательский Московский государственный строительный университет (НИУ МГСУ); 129337, г. Москва, Ярославское ш., д. 26; РИНЦ ID: 7465-2846, Scopus: 55975424400, ResearcherID: U-7848-2018, ORCID: 0000-0002-5595-2784; tusninaOA@mgsu.ru.
REFERENCES
1. Gladskikh V.I., Drobny O.F., Las'kov S.A., Cherchintsev V.D. Modernization of industrial and ecological safety systems at OJSC Magnitogorsk Iron and Steel Works as an obligatory condition for sustainable development. Vestnik of Nosov Magnitogorsk State Technical University. 2014; 1:107-111. (rus.).
2. Poltorackij L.M., Barnaev I.A. Status and prospects for the development of innovative potential in the metallurgical industry of Russia (West Siberian Iron and Steel Works, Russia). Metallurgy-Intecheco-2008: Proceedings of the International Conference. 2008; 51-53. (rus.).
3. Krivonosov A.I. Automated control systems for technological processes of gas exhaust tracts of converters. XV International Congress of Steelmakers. 2018; 512-518. (rus.).
4. Stalinskij D.V., Pirogov A.Ju., Ryzhavskij A.Z., Krivonosov A.I., Krivolapov A.E., Kaplunov Ju.V. Ensuring the specified environmental and energy performance indicators of the operation of the gas exhaust paths of converters by creating modern automated process control systems. Ecology and Industry. 2009; 3:20-24. (rus.).
5. Zhuzhuev R.A., Dorfman N.N. Identification of possible emergency situations in the production of steel, their classification and systematization. Problems of ensuring safety during liquidation of consequences of emergency situations. 2017; 1:1025-1030. (rus.).
6. Kolobanov A.S., Tarasova N.V., Sabitov L.S. Possibilities of increasing the corrosion resistance of building structures operating in aggressive industrial environments. Construction and Architecture. 2020; 8(3):(28):29-25. DOI: 10.29039/2308-0191-2020-8-329-35 (rus.).
7. Permjakov M.B., Myshinskij M.I., Stepoch-kin V.M., Gibadullin R.F., Sagitdinov R.A. Damage and causes of accidents in the metallurgical industry. Modern Innovations. 2016; 3(5):17-20. (rus.).
8. Baiburin D.A., Tupitsyna D.S. Frequency of Defects and Damage of Industrial Buildings. Bulletin of the South Ural State University. Ser. Construction Engineering and Architecture. 2022; 22(1):23-32. DOI: 10.14529/build220103 (rus.).
9. Zolina T.V. Assessment of the residual resource of the industrial building with bridge cranes in the process
of its operation. Engineering and Construction Bulletin of the Caspian Region. 2019; 3(29):6-16. (rus.).
10. Zolina T.V., Sadchikov P.N. Residual resource of a one-storey steel frame industrial building constructed with bridge cranes. Magazine of Civil Engineering. 2018; 84(8):150-161. DOI: 10.18720/MCE.84.15
11. Belenja E.I. Actual work and calculation of the transverse frames of steel frames of one-storey industrial buildings: abstract of the thesis. diss... dr. tech. sciences. Moscow, 1959; 26. (rus.).
12. Belenja E.I. Studies of the actual work of steel frames of industrial buildings initial base for the reconstruction of industrial buildings. Industrial Engineering. 1982; 2:12-14. (rus.).
13. Streleckij N.S. Steel structure of one-storey industrial buildings roofing. Moscow, Gosstroyizdat, 1952; 383. (rus.).
14. Cacho-Perez M. Design and analysis of an industrial steel building. Limit states, stability check. Engineering Structures. 2017; 153:342-353. DOI: 10.1016/j. engstruct.2017.10.025
15. Jayasidhan A.K., Joy A. Analysis and design of a industrial building. International Journal of Engine-
ering Research and Technology (IJERT). 2015; V4(03). DOI: 10.17577/ijertv4is030444
16. Patel A., Bajaj R. Structural analysis and design of an industrial building. International Journal for Scientific Research and Development (IJSRD). 2017; 5(04):1543-1545.
17. Tusnina O. Shear stiffness of the steel roof panels. Advances in Intelligent Systems and Computing. 2020; 639-647. DOI: 10.1007/978-3-030-19756-8_60
18. Tusnina O. Finite element analysis of crane secondary truss. Magazine of Civil Engineering. 2018; 77(1):68-89. DOI: 10.18720/MCE.77.7
19. Tusnina O.A. Operation of bracing system in the roof of industrial building with steel frame. Industrial and Civil Engineering. 2019; 1:37-42. (rus.).
20. Handbook for the designer of industrial, residential and public buildings and structures. Metal structures of industrial buildings and structures / ed. N.P. Mel-nikov. Moscow, Gosstroyizdat, 1962; 618. (rus.).
21. Tusnina O.A., Pavlov S.A. Evaluation of resistance to the progressive collapse of the converter shop frame. Bulletin of Civil Engineers. 2019; 6(77):114-122. DOI: 10.23968/1999-5571-2019-16-5-114-122 (rus.).
Received December 23, 2022.
Adopted in revised form on December 30, 2022.
Approved for publication on February 6, 2023.
B i o n o t e s : Olga A. Tusnina — Candidate of Technical Sciences, Associate Professor, Associate Professor of the Department of Metal and Timber Structures; Moscow State University of Civil Engineering (National Research University) (MGSU); 26 Yaroslavskoe shosse, Moscow, 129337, Russian Federation; ID RSCI: 7465-2846, Scopus: 55975424400, ResearcherlD: U-7848-2018, ORCID: 0000-0002-5595-2784; tusninaOA@mgsu.ru.
< П
tT
iH
О Г s 2
со со
y
J со
U -
r I
n °
i 3
о i
oî
о n
СО
со
n M
i 6 >6
• )
[8
® 8
Ю DO
■ £
s □
s У
с о
<D *
M 2
о о
10 10
u w
