Температурні напруження в стінах силосів

Размещено на http://www.allbest.ru/

ПОЛТАВСЬКИЙ ДЕРЖАВНИЙ ТЕХНІЧНИЙ УНІВЕРСИТЕТ ІМЕНІ Ю. КОНДРАТЮКА

УДК 624.074. 7

АВТОРЕФЕРАТ

дисертації на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук

ТЕМПЕРАТУРНІ НАПРУЖЕННЯ В СТІНАХ СИЛОСІВ

Спеціальність 05.23. 01 - Будівельні конструкції, будівлі та споруди

Попельнух Віктор Миколайович

ПОЛТАВА- 1999

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана у Харківській державній академії міського господарства Міністерства освіти України

Науковий керівник - кандидат технічних наук, доцент

Молодченко Геннадій Анатолійович, завідувач кафедри будівельних конструкцій Харківської державної академії міського господарства

Офіційні опоненти:

доктор технічних наук, професор

Фомін Станіслав Леонідович, професор кафедри залізобетонних та кам'яних конструкцій Харківського державного технічного університету будівництва та архітектури

Кандидат технічних наук, доцент

Губій Микола Миколайович, доцент кафедри залізобетонних та кам'яних конструкцій Полтавського державного технічного університету імені Юрія Кондратюка

Провідна установа: Державний науково-дослідний інститут будівельних конструкцій Державного комітету будівництва, архітектури та житлової політики України, м. Київ

Захист відбудеться “ 16 ” березня 1999 р. о 13⁰⁰ годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 25.01.02 при Полтавському державному технічному університеті імені Юрія Кондратюка за адресою: 314601, м. Полтава, Першотравневий проспект, 24,ауд. 234.

З дисертацією можна ознайомитися в бібліотеці Полтавського державного технічного університету імені Юрія Кондратюка за адресою: 314601, м. Полтава, Першотравневий проспект, 24.

Автореферат розісланий “ 12 ” лютого 1999р.

Вчений секретар

спеціалізованої вченої ради Семко О. В.

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

силос стіна температура несучий

Актуальність теми та ступінь дослідженості тематики дисертації. Експлуатація збудованих за останні 30-40 років в Україні та державах СНД закритих складів для зберігання гарячого клінкеру у вигляді залізобетонних циліндричних ємкостей висотою 20-30 м на більшості цементних заводів показала, що ці ємкості мають суттєві конструктивні недоліки, які спричиняють їх інтенсивне руйнування. Розроблені типові рішення підсилення зруйнованих клінкерних силосів дуже дорого коштують і, головне, не усувають джерела руйнування.

У цій роботі здійснена спроба вивчити напружено-деформований стан силосів при добових змінах температури зовнішнього повітря, дослідити механізм руйнування залізобетонних стін силосів при їх експлуатації гарячим сипучим матеріалом, установити параметри процесу витікання та запропонувати такі конструктивні рішення, які можна використовувати як при реконструкції об'єктів, що експлуатуються, так і при проектуванні нових.

Для цього використано ідею управління кінетикою витікання сипучого матеріалу при позацентровому розвантаженні, досвід практичного застосування якої на багатьох цементних заводах підтверджує доцільність прийнятого напрямку досліджень. Робота виконувалась за держбюджетною темою науково-дослідних робіт Міністерства освіти України № 53-13/94 “Розрахунок та конструювання силосів для гарячих сипучих матеріалів”, а також за господарськими договорами з рядом цементних заводів.

Мета і задачі дослідження. Метою роботи є встановлення напружено-деформованого стану циліндричних залізобетонних стін силосів при впливі температури навколишнього середовища, а також гарячого сипучого матеріалу з урахуванням його позацентрового розвантаження, розробка методики розрахунку температури нагрівання стін та їх несучої здатності з урахуванням особливостей режиму експлуатації.

Для реалізації сформульованої мети були поставлені такі завдання дослідження:

- розробка методики розрахунку стін силосів на додаткові навантаження сипучого матеріалу від коливань зовнішньої температури;

- розробка фізичної моделі та методики розрахунку температури нагрівання стін при позацентровому розвантаженні сипучого матеріалу, в тому числі при проточному режимі;

- експериментально на моделях та у виробничих умовах встановлення впливу геометричних параметрів ємкостей та особливостей технології розвантаження на ступінь збільшення температури нагрівання стін і характер їх руйнування;

- розробка методики розрахунку несучої здатності стін силосів при обриві робочої кільцевої арматури на локальній ділянці за висотою;

- розробка конструктивних рішень силосів при їх реконструкції та відновленні несучої здатності стін, що забезпечують вилучення джерела підвищеного нагріву;

- упровадження результатів досліджень на об'єктах цементної промисловості.

Об'єкт дослідження - залізобетонні стіни циліндричних силосів, що працюють під впливом гарячого сипучого матеріалу.

Методика дослідження. Для вирішення поставлених завдань використано експериментальні й теоретичні дослідження із застосуванням сучасних методів проведення експериментів, обладнання та вимірювальної апаратури як у лабораторних, так і у виробничих умовах, програмне забезпечення за допомогою персонального комп'ютера типу IBM для розрахунку несучої здатності стін залізобетонних силосів з урахуванням інтенсивності отриманих у процесі експлуатації руйнувань.

Наукова новизна одержаних результатів:

- теоретично вивчено напружено-деформований стан системи масив сипучого матеріалу - циліндрична оболонка, отримана загальна залежність для додаткового тиску сипучого матеріалу при зміні температури зовнішнього повітря;

- експериментально досліджено переміщення шарів сипучого матеріалу при розвантаженні, встановлена якісна сторона ефекту підвищення температури нагрівання стін силосів у зонах інтенсивного руху та перемішування потоку позацентрово розвантажуваного гарячого сипучого матеріалу;

- експериментально вивчено вплив геометричних параметрів ємкості та режимів експлуатації на температуру нагрівання стін силосів;

- проведено експериментальні дослідження температури нагрівання силосів у натурних умовах, встановлено розрахункові константи для теоретичних залежностей;

- розроблено методику розрахунку несучої здатності стін силосів з урахуванням ступеня їх пошкодження.

Практичне значення одержаних результатів. Результати роботи дають змогу оцінити додаткові напруження у стінах силосів від зміни температури навколишнього повітря. Запропоновано розрахункові параметри для визначення температури нагрівання стін силосів залежно від ексцентриситету розміщення розвантажувального отвору та з урахуванням режиму експлуатації ємкостей. Створено методику розрахунку несучої здатності залізобетонних стін силосів при наявності локальних за висотою зон обриву кільцевої робочої арматури внутрішнього ряду, складено програму розрахунку на ПК ІВМ формалізовану на алгоритмічній мові Бейсик. Запропоновано конструктивне рішення силосів з установленням всередині їх розвантажувальних пристроїв, що дозволяє керувати процесом витікання сипучого матеріалу, знизити температуру стін на локальних ділянках у 2 - 2,5 рази та виключити їх руйнування.

Особистий внесок дисертанта поданий результатами:

- вирішення осесиметричної задачі з визначення температурних напружень у стінах ємкостей з урахуванням спільності деформацій сипучого матеріалу та стіни циліндричної ємкості в горизонтальному й вертикальному напрямках;

- експериментальних досліджень переміщення шарів сипучого матеріалу всередині ємкості при центральному й позацентровому розвантаженні;

- якісних досліджень ефекту підвищення температури нагрівання стін на моделях та кількісної оцінки параметрів процесу передачі тепла від сипучого до стіни у виробничих умовах;

- експериментально-теоретичних досліджень температури нагрівання внутрішньої поверхні стіни при позацентровому розвантаженні гарячого сипучого матеріалу і при проточному режимі;

- методики розрахунку несучої здатності залізобетонних стін силосів з урахуванням руйнувань арматури;

- експериментально-теоретичних досліджень геометричних параметрів ємкостей, що виключають ефект підвищеного нагрівання стін та їх руйнування.

Впровадження результатів досліджень. Результати досліджень впроваджені на цементних заводах: на 16 клінкерних силосах АТ “Осколцемент” і на 25 клінкерних силосах 6 цементних заводів ВАТ “Південдіпроцемент”.

Апробація роботи. Основні результати дисертації доповідались та обговорювались на науково-технічних конференціях Харківської державної академії міського господарства в 1991-1998 рр., на Всесоюзному семінарі “Індустріальні технічні рішення для реконструкції будівель та споруд промислових підприємств” (м. Макіївка, 1986 р.), на регіональній науково-практичній конференції “Надійність та реконструкція - 88” (м. Волгоград, 1988 р.), на республіканській науково-технічній конференції “Удосконалення залізобетонних конструкцій, працюючих на складні види деформацій, та їх впровадження в будівельну практику” (м. Полтава, 1989 р.), на Всесоюзній конференції “Фундаментальні дослідження та нові технології в будівельному матеріалознавстві” (м. Бєлгород, 1989 р.), на Всесоюзній конференції “Фізико-хімічні проблеми матеріалознавства та нові технології” (м. Бєлгород, 1991 р.), на міжнародній конференції “Ресурсозберігаючі технології будівельних матеріалів, виробів та конструкцій” (м.Бєлгород, 1993 р.), на міжнародній конференції “Ресурсо- та енергозберігаючі технології будівельних матеріалів, виробів і конструкцій” (м. Бєлгород, 1995 р.).

Публікації. За темою дисертації опубліковано 15 робіт, в тому числі 6 - у збірниках наукових праць та 9 - у матеріалах і тезах конференцій.

Обсяг дисертації: Дисертація складається з вступу, п'яти розділів, висновків, списку використаних джерел та додатків загальним обсягом 159 сторінок друкованого тексту, в тому числі 147 сторінок основного тексту, 48 рисунків, 9 таблиць та список літератури з 126 найменувань на 13 сторінках і 12 сторінок додатків.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі обгрунтовується необхідність проведення експериментальних та теоретичних досліджень механізму руйнування залізобетонних стін циліндричних силосів при їх експлуатації гарячим сипучим матеріалом та формулюються мета дисертаційної роботи і завдання досліджень.

У першому розділі роботи здійснено огляд і аналіз вітчизняної та закордонної літератури з питань теоретичних та експериментальних досліджень температурних напружень в циліндричних залізобетонних і сталевих силосах за основними видами їх впливів на конструкції, досліджень з оцінки надійності споруд, розрахунку несучої здатності стін ємкісної частини. Виконано аналіз рекомендацій нормативних документів з обліку температурних впливів при проектуванні ємкостей. Добові коливання температури повітря спричиняють додатковий тиск сипучого матеріалу на стіни силосів. Дослідження в цьому напрямку для залізобетонних і сталевих силосів проводили Анатольєв А.В., Бурсіан А.В., Єрьомін А.П., Жданов А.А., Кельнер М., Кондратюк Г.Г., Кордіна К., Курочкін А.М., Чоботов В.П., Яковлєв Л.Т. та інші автори.

На думку більшості дослідників цей вид впливів повинен ураховуватися при розрахунку стін силосів. При перепаді температури за товщиною стін ємкостей розтягуючі напруження у відповідності з кривизною елемента формуються з боку більш низької температури. Цьому напрямку досліджень присвячені роботи Болі Б. і Уейнера Дж., Гончарова А.К., Грінченка В.Т., Крічевського А.П., Лаврова В.Н., Латишева Б.В., Маркова А.Н., Мелана Е. і Паркуса Г., Мурашова В.І., Сафар'яна С., Тимошенка С.П., Фоміна С.Л., Чіхладзе Е.Д., Яковлєва Л.Т. та інших авторів, в яких вирішено питання розподілу напружень за товщиною оболонки при заданій функції температури, розроблено методи розрахунку температури на внутрішній і зовнішній поверхнях стін, перепаду температури за товщиною оболонки при стаціонарному тепловому режимі. У дослідженнях Гончарова А.К., Грінченка В.Т., Крічевського А.П., Фоміна С.Л. та інших авторів вивчено особливості тепловологого переносу, повзучості та усадки бетону для нестаціонарних задач.

Великий інтерес викликають дослідження Вербицького Д.Н., Латишева Б.В., Моденова Є.А., Молодченка Г.А., Петрова Б.А., Ракова М.В., Фоміна С.Л. щодо вивчення процесу нагрівання залізобетонних стін силосів гарячим сипучим матеріалом. Крім стаціонарного й нестаціонарного теплопереносу ці автори розглядають також вплив конструктивного вирішення ємкостей, в тому числі з несиметричним розміщенням розвантажувальних отворів при різних режимах експлуатації споруд. Зазначений напрямок почав розвиватися останнім часом і потребує проведення досліджень і додаткових експериментальних та теоретичних даних.

Надійності споруд та оцінці їх несучої здатності присвячено роботи Барашикова А.Я., Бермана Ф.І., Гарбуза В.І., Дубиніна Н.Г., Ісерса Ф.А., Карєва В.І., Кіма В.С., Карпенка М.І., Пухонто Л.М., райзера В.Д., Скорикова Б.А., Хорошого І.С., Шипель Л.В., Чіхладзе І.Д. та багато інших. Потрібні ще додаткові дослідження несучої здатності стін силосів як просторових систем з урахуванням перерозподілу зусиль.

У кінці розділу наведено нормативні вимоги різних країн щодо урахування температурних впливів при проектуванні силосів, у тому числі для гарячих сипучих матеріалів.

У другому розділі наведено вирішення задачі з оцінки напруженого стану системи масив сипучого матеріалу - циліндрична оболонка силосу при впливі на неї температурного перепаду. Вихідні передумови:

- у початковий момент часу температури стін силосу Т і сипучого матеріалу Т_м однакові; температури Т і Т_м беруться середніми функції температури за товщиною стіни та масиву сипучого;

- при зміні зовнішньої температури враховується зміна середньої температури стіни на величину Т, а температура сипучого матеріалу вважається рівною початковій та постійною за всім перерізом;

- деформації оболонки за її товщиною є величинами другого порядку малості у порівнянні з іншими компонентами тензора деформацій;

- сипучий матеріал і матеріал стінки силосу є ізотропними пружними тілами;

- розглядається ділянка оболонки на достатньому віддаленні від вер-ху засипки, де її зсув відносно сипучого відсутній.

Для вирішення задачі прийнята розрахункова схема у вигляді виділеної ділянки системи масив сипучого матеріалу - циліндрична оболонка, обмеженої двома радіальними площинами з довжиною дуги Rd і висотою dz.

Запишемо умову рівноваги сил у радіальному напрямі:

. (1)

Наведемо далі у тому ж напрямі вільні температурні переміщення оболонки у вигляді , її стримувані переміщення від тиску Р_Т у вигляді , а стримувані переміщення сипучого матеріалу від тиску у вигляді .

Умову спільності деформацій у радіальному напрямі

можна записати з урахуванням вищесказаного так:

. (2)

Для другої компоненти вектора переміщень (вертикальний напрямок) маємо:

умова рівноваги:

(1,а)

умова спільності деформацій:

або . (2,а)

Беручи до уваги умови рівноваги (1) і (1,а), умови спільності деформацій (2) і (2,а) та використовуючи закон Гука, одержимо значення додаткового температурного тиску Р_Т у вигляді

, (3)

де - коефіцієнт лінійного розширення матеріалу стінки оболонки; - товщина оболонки; R - радіус її внутрішньої поверхні; - тиск оболонки на сипуче; F, F_M - площа відповідно горизонтального перерізу оболонки та сипучого матеріалу; Е, Е_M - модулі пружності матеріалу оболонки та сипучого матеріалу; - вертикальні напруження в оболонці та сипучому матеріалі; _z, _zM, , _M - коефіцієнти поперечної деформації відповідно у вертикальному напрямі для матеріалу оболонки і для сипучого матеріалу та у тангенційному напрямі для матеріалу оболонки і для сипучого матеріалу.

Тут слід мати на увазі, що _z=, та _zM =_M , а індекси при коефіцієнтах прийняті для зручності аналізу.

Стосовно роботи залізобетонних стін силосів з тріщинами уздовж твірних оболонка перебуває в умовах квазіодноосного напруженого стану, що еквівалентно оберненню в нуль множників при _z і . У цьому випадку

. (3,а)

Розглядаючи систему масив сипучого матеріалу - циліндрична оболонка силосу як плоский кільцевий елемент, виключаються коефіцієнти , а вираз (3) набуває вигляду формули Таймера:

. (3,б)

Здійснюючи подальші спрощення можна отримати рішення, збіжне з рішенням Анатольєва А.В., Єрьоміна А.П., бурсіана А.В. та інших авторів, а, вважаючи далі Е_М=, при введенні знижуючого коефіцієнта =0,1, можна отримати відомий вираз Кельнера. Все це дозволяє зробити висновок про загальність запропонованої формули для Р_Т.

У другому розділі також наведено вирішення задачі про осесиметричне локальне за висотою нагрівання оболонки, яке виникає при довантаженні ємкості гарячим сипучим матеріалом. Використовуючи моментну теорію оболонок, значення максимальних переміщень оболонки на локальній ділянці одержимо у вигляді

. (4)

Третій розділ присвячений експериментальним дослідженням кінетики витікання сипучого матеріалу при його позацентровому розвантаженні, вивченню закономірностей нагрівання стін на моделях і в натурних умовах.

Характер руху сипучого всередині масиву та на поверхні контакту зі стінкою вивчали на прозорій, роз'ємній за діаметральною площиною моделі з оргскла, виконаної геометрично подібною натурному силосу для клінкеру в масштабі 1:200. Як сипучий матеріал використовували дрібнозернистий пісок, шари якого підфарбовували у процесі завантаження.

При цьому застосовували метод “заморожування”, що дозволяв на будь-якому етапі розвантаження здійснювати реєстрацію переміщень підфарбованих шарів за площиною роз'єму моделі. У процесі експериментів варіювався відносний ексцентриситет розміщення випускного отвору (е = 0,0; 0,2; 0,4; 0,6; 0,7; 0,8).

Аналіз одержаних результатів показав, що при центральному розвантаженні та розвантаженні з відносним ексцентриситетом е = 0,2 формується близький до осесиметричного потік витікання у вигляді фігури обертання з вершиною біля випускного отвору.

На поверхні контакту зі стінкою підфарбовані шари не мали скривлень. Збільшення відносного ексцентриситету до е = 0,4 приводить до зміщення осі потоку витікання до найближчої поверхні стіни, а також до скривлення шарів сипучого в цих зонах по поверхні контакту зі стінкою.

Подальше збільшення ексцентриситету розвантаження призводить до суттєвої трансформації потоку витікання біля пристінних шарів, переміщення сипучого матеріалу від центра до найближчої від розвантажувального отвору поверхні стіни. Досліджена закономірність витікання викликає підвищене нагрівання зазначеної поверхні.

Для підтвердження встановленого механізму теплопереносу при позацентровому розвантаженні було виконано аналіз дослідів Молодчен-ка Г.А. з розвантаженням гарячого піску на аналогічній за розмірами моделі силосу з піщаного бетону.

Температуру стіни на контакті з сипучим матеріалом вимірювали хромелькопелевими термопарами в чотирьох точках за висотою на найближчій до випускного опору твірній та в двох точках на віддаленій твірній.

Аналіз результатів досліджень свідчить, що при зміні відносного ексцентриситету від е = 0 до е = 0,4 температура нагрівання внутрішньої поверхні стіни моделі при розвантаженні гарячого сипучого матеріалу практично не змінюється. При подальшому його збільшенні до е = 0,8 виникає підвищення температури стіни.

Таким чином установлена якісна сторона процесу підвищеного нагрівання стін ємкості при позацентровому розвантаженні гарячого сипучого матеріалу.

Для розрахункової оцінки температури нагрівання стіни ємкості при багаторазовому контакті з гарячим сипучим матеріалом використана залежність, яку запропонував Молодченко Г.А.

, (5)

де t^M - температура сипучого матеріалу при завантаженні; t⁰- початкова рівномірна за перерізом температура стіни силосу перед завантаженням;

- )^п - відносна температура на межі при багаторазовому контакті;

- відносна температура на межі при одноразовому контакті

(п = 1);

- коефіцієнт теплової активності середовищ;

- відповідно коефіцієнт теплопровідності, теплоємність та густина сипучого матеріалу;

, С, - те ж, матеріалу стіни силосу;

п - кількість контактів гарячого сипучого матеріалу зі стіною силосу при позацентровому розвантаженні.

Підвищене нагрівання стін виникає на ділянці зміни відносного ексцентриситету позацентрового випуску е_ие1,0, при цьому кількість контактів гарячого сипучого зі стіною ємкості залежить від її геометричних розмірів та режиму експлуатації (просте розвантаження або проточний режим):

, (6)

- граничний відносний ексцентриситет (7)

позацентрового розвантаження;

- кут внутрішнього тертя сипучого матеріалу;

К - емпіричний коефіцієнт, який одержують з дослідних даних;

- коефіцієнт, що враховує режим експлуатації силосу.

Кількісну оцінку підвищеного нагрівання стін силосів здійснювали у виробничих умовах на силосах для гарячого клінкеру № 13 АТ “Осколцемент” та № 2 АТ “Новоросцемент” на цементному заводі “Пролетарій”. Вимірювання температури проводили за спеціальною методикою у режимі завантаження, витримки та розвантаження на внутрішній поверхні стін та в перерізах стіни в різних точках на твірній і периметрі. У силосі № 13 АТ “Осколцемент” для ідвантаження клінкеру у вагони було пробито випускний отвір у стіні, тому була можливість вивчити характер зміни температури при відносних ексцентриситетах е = 0,7 та е=1,0. Результати цих експериментів наведено на рис.2.

З наведених графіків виходить, що при простому розвантаженні гарячого клінкеру температура внутрішньої поверхні стіни збільшується у 1,5 - 1,8 рази, а при проточному режимі - у 3,0 рази. Максимальне збільшення температури зафіксовано на III-м рівні, тобто на позначці, що дорівнює 1/3 висоти ємкості від низу підсилосного перекриття. Крім того, розподіл температури за периметром горизонтального перерізу стіни нерівномірний і максимальне нагрівання спостерігається на найближчій до випускного отвору твірній.

Результати випробувань на моделях та в натурних умовах якісно збіглися. Установлена також цілковита ідентичність зон інтенсивного руху сипучого матеріалу на моделях та зон руйнування стін силосів у натурних умовах.

На основі проведених досліджень сформульована фізична модель витікання сипучого матеріалу для випадку е_ие1,0, що враховує передачу теплового потоку від центра масиву до периферії і пов'язану з нею збіль-шену у 2 -3 рази температуру нагрівання стін на локальних ділянках у зоні інтенсивного руху та перемішування розвантажуваного сипучого матеріалу.

У четвертому розділі наведено результати обстежень 84 залізобетонних силосів для гарячого клінкеру, здійснених у 1986-1997 рр. на 7 цементних заводах, проаналізовано характер і ступінь руйнування стін на зовнішній і внутрішній поверхнях.

На зовнішніх поверхнях стін силосів зафіксовано чітко орієнтовану систему горизонтальних та вертикальних тріщин у бетоні з розкриттям а - при простому розвантаженні з відносним ексцентриситетом е=0,7; б - те ж при е=1,0; в - зміна температури за висотою ємкості; г - зміна температури в плані (розгортка). 0,05 - 0,1 мм.

Схема їх розміщення та послідовність появи зв'язані з різницею головних напружень у бетоні зовнішнього шару в горизонтальному та вертикальному напрямках.

Руйнування внутрішніх повернень стін згруповані за трьома основними типами у залежності від природи їх виникнення.

Руйнування 1-го типу являють собою виколи захисного шару бетону уздовж кільцевої робочої арматури внутрішнього ряду. Причиною їх появи може бути як нерівномірне охолодження перерізу стіни силосу при розвантаженні клінкеру, так і тиск кільцевої арматури на бетон при дії горизонтального навантаження від сипучого матеріалу.

Руйнування 2-го типу пов'язані з особливостями конструктивного рішення силосів з позацентровим розміщенням розвантажувальних отворів і викликані підвищеним нагріванням стін на локальних ділянках. Поверхня бетону у зонах руйнування має крихку структуру, на окремих ділянках легко розбирається руками. Руйнування захисного шару призводить до втрати зв'язку бетону з арматурою, остання затягується у потік витікання, провисає і обривається.

Руйнування 3-го типу викликані прямою ударно-стираючою дією завантажуваного сипучого матеріалу при його попаданні під час завантаження на стіну. Такі руйнування в роботі не розглядаються.

Для оцінки несучої здатності стін силосів з руйнуваннями 2-го типу прийнято умову міцності у вигляді

, (8)

де - тангенційне зусилля розтягу в оболонці на одиницю висоти перерізу z, визначене від навантаження за будь-якою із загальновідомих залежностей (за Кулоном, Янсеном та ін.); - несуча здатність перерізу кільцевого елементу; - відповідно площа перерізу та розрахунковий опір кільцевої арматури.

Процес руйнування проходить у часі і на початковому етапі виникає обрив одного, двох або декількох стержнів на локальній ділянці b за висотою ємкості.

Щодо просторової роботи оболонки недотримання умови міцності (8) на окремій ділянці за висотою не може бути критерієм вичерпання несучої здатності, бо за рахунок перерозподілу засиль сусідні не завантажені зони сприйматимуть додаткове навантаження, розвантажуючи пошкоджену ділянку. Несуча здатність стіни силосу в центрі зони руйнування буде зменшуватися інтенсивніше у порівнянні з іншими ділянками аж до зберігання умови

, (9)

де - змінна за рахунок обриву арматури на ділянці b несуча здатність стіни силосу на рівні z.

Умова (9) приймається як критерій необхідності виконання підсилення стін силосів. Вона відповідає граничному b_и розміру зони обриву кільцевої арматури, перевищення якого може спричинити вичерпання несучої здатності стіни. Для його визначення зусилля, що зникло в результаті обриву арматурного стержня, вважається еквівалентним кільцевим протитиском Р₁(z), прикладеним у центрі відповідної ділянки оболонки за висотою, рівною кроку арматури S. З урахуванням радіальних переміщень оболонки за моментною теорією при обриві одного стержня одержимо

, (10)

(11)

- зниження несучої здатності стіни силосу при обриві одного стержня арматури; Е - модуль пружності матеріалу оболонки;

; (12)

- балочна функція;

- циліндрична жорсткість;

 - переріз одного стержня кільцевої арматури;

m - кількість рядів кільцевої арматури стіни силосу;

; r - внутрішній радіус оболонки.

При обриві декількох стержнів арматури зусилля Р₁(z) прикладаються у центрах відповідних ділянок S, тоді зниження несучої здатності за формулою (11) визначають суперпозицією функції переміщень . Для її встановлення, а також для обчислення b_и складено програму розрахунку на персональному комп'ютері типу IBM.

У п'ятому розділі наведено рекомендації щодо підвищення надійності стін залізобетонних циліндричних силосів для гарячих сипучих матеріалів.

Варіанти реконструкції пропонуються з урахуванням ступеня руйнування стін на момент їх обстеження (початковий, слабкий, середній або сильний).

Розрахунком фактичної несучої здатності стін за розробленою методикою встановлюється необхідність їх підсилення.

Для вилучення джерела руйнування при подальшій експлуатації силосів розроблено простий метод їх реконструкції, що ґрунтується на керуванні кінетикою витікання сипучого матеріалу при будь-якому режимі експлуатації. Усередині ємкості над випускними отворами встановлюють розвантажувальні пристрої у вигляді похилих жолобів відкритого з боку днища профілю. Позацентрове розвантаження замінюється розвантаженням, близьким до центрального, при цьому виключаються підвищене нагрівання стін та їх руйнування.

Досвід реконструкції силосів для гарячого клінкеру на цементних заводах довів, що найбільш простим і зручним у виробництві виявився варіант розвантажувального пристрою з використанням відпрацьованих сталевих обичайок обертових печей. Досліджено й обґрунтовано оптимальні їх параметри, що забезпечують безперервну роботу силосів і виключають додаткові експлуатаційні витрати.

Більш ніж 10-річний досвід роботи розвантажувальних пристроїв на силосах клінкеру цементних заводів показав їх високу ефективність.

ЗАГАЛЬНІ ВИСНОВКИ

У результаті виконаних експериментально-теоретичних досліджень температурних напружень, що виникають у залізобетонних стінах циліндричних силосів, у тому числі з урахуванням їх експлуатації гарячим сипучим матеріалом з різними режимами розвантаження, а також впливу геометричних параметрів ємкостей встановлено наступне:

1. Запропоновано загальне вирішення задачі для об'ємного напруженого стану системи масив сипучого матеріалу - оболонка силосу при зміні температури навколишнього повітря, виконано аналіз такого вирішення для окремих випадків;

2. Екпериментами на моделі силосу вивчено механізм витікання сипучого матеріалу з емкості при центральному й позацентровому розвантаженні, закономірність підвищеного нагріву зони стіни, максимально наближеної у плані до випускного отвору;

3. Побудовано фізичну модель процесу витікання сипучого матеріалу при позацентровому розвантаженні в межах е_ие1, досліджено значення граничного ексцентриситету розміщення випускного отвору е_и, при перевищенні якого виникає ефект підвищеного нагрівання стін силосів;

4. Експериментально на моделях та в натурних умовах підтверджено наявність розглядуваного ефекту підвищення температури стін силосів на локальних ділянках при позацентровому розвантаженні гарячого сипучого матеріалу та при проточному режимі, встановлено величини температур, уточнено залежності для практичної їх оцінки;

5. Розроблено методику оцінки несучої здатності залізобетонних циліндричних стін силосів, які у процесі експлуатації отримали пошкодження у вигляді руйнування захисного шару бетону, оголення кільцевої робочої арматури внутрішнього ряду, її обриву та провисання. наведено послідовність визначення критичної ширини зони обриву арматури, що відповідає вичерпанню несучої здатності стін силосів, складено програму розрахунку на ПК типу IBM;

6. Наведено аналіз мінімальної величини захисного шару бетону внутрішнього ряду кільцевої арматури з урахуванням зниження міцності бетону від дії температурних напружень, рекомендовано її оптимальне значення у межах 5-6 см.;

7. Розроблено рекомендації щодо підвищення надійності стін силосів, які експлуатуються з позацентровим розвантаженням гарячих сипучих матеріалів, у тому числі таких, що одержали руйнування різного ступеня. Запропоновано конструкцію розвантажувального пристрою всередині силосу, що дозволяє керувати процесом витікання гарячого сипучого матеріалу і виключає підвищене нагрівання та руйнування стін силосів;

8. Результати роботи упроваджені на силосах гарячого клінкеру ряду цементних заводів.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ ДИСЕРТАЦІЇ ВІДОБРАЖЕНО У НАСТУПНИХ ПУБЛІКАЦІЯХ

1. Попельнух В.Н. Повышение надежности эксплуатируемых тонкостенных железобетонных сооружений кольцевого сечения // Сб. научных трудов ХИИКСа “Повышение эффективности и качества городского строительства”. Киев: УМК ВО, 1988. - С. 27-30.

2. Молодченко Г.А., Попельнух В.Н. Учет температурных воздействий в цилиндрических силосах // Известия вузов. Строительство и архитектура, 1991. - № 6. - С. 12-16.

3. Попельнух В.Н., Молодченко Г.А. Особенности эксплуатации и реконструкции силосов // Сб. научных трудов ХИИГХа “Эксплуатация и ремонт систем городского хозяйства” - К.: УМК ВО, 1992. - С. 38-44.

4. Молодченко Г.А., Попельнух В.Н. Оценка надежности эксплуатируемых силосов // Сб. научных трудов ХГАГХа “Эксплуатация и ремонт зданий и сооружений городского хозяйства” - К.: ИСИО, 1994. - С. 31-38.

5. Молодченко Г.А., Попельнух В.Н. Особенности нагрева стен цилиндрических оболочек при выгрузке горячего сыпучего // Сб. научных трудов ХГАГХа “Коммунальное хозяйство городов”, Вып. 13. - К.: Техника, 1998. - С. 43-46.

6. Попельнух В.Н. Экспериментальные исследования температурного поля на силосах для горячего клинкера // Сб. научных трудов ХГАГХа “Коммунальное хозяйство городов”, вып. 13. - К.: Техника, 1998. - С. 49-53.

7. Молодченко Г.А., Попельнух В.Н., Довнар Ч.С. Управление кинетикой истечения в силосах при их реконструкции // Всесоюзный семинар “Индустриальные технические решения для реконструкции зданий и сооружений промышленных предприятий”. - Макеевка, 1986. - С. 99-102.

8. Попельнух В.Н. Анализ температурных напряжений в силосах для сыпучих материалов // Всесоюзный научно-исследовательский институт информации по строительству и архитектуре. реферат рукописи опубликован в библиографическом указателе депонированных рукописей. - Вып. 6, 1987.

9. Молодченко Г.А., Попельнух В.Н., Довнар Ч.С. Изменение несущей способности стен силосов в процессе эксплуатации // Тезисы докладов региональной науч.-практ. конф. “Надежность и реконструкция - 88”. Волгоград, 1988. - С. 149.

10. Молодченко Г.А., Попельнух В.Н., Довнар Ч.С. Реконструкция хранилищ для сыпучих материалов. - Харьков: ХИИГХ, 1989. - С. 68.

11. Молодченко Г.А., Попельнух В.Н. Определение несущей способности железобетонных силосов в процессе эксплуатации // Тезисы докладов республ. науч.-техн. конф. “Совершенствование железобетонных конструкций, работающих на сложные виды деформаций, и их внедрение в строительную практику”. Ч. 2, 3. Полтава. 1989. - С. 98-99.

12. Молодченко Г.А., Попельнух В.Н. Расчет железобетонных стен силосов на нагрев сыпучим материалом // Тезисы докладов Всесоюзной конференции “Фундаментальные исследования и новые технологии в строительном материаловедении”. Ч. 11 “Теоретические основы разработки и расчета эффективных строительных конструкций”. Т. 1. -Белгород, 1989. - С. 57.

13. Молодченко Г.А., Попельнух В.Н. Физическая модель истечения сыпучего из силосов // Тезисы докладов Всесоюзной конф. “Физико-химические проблемы материаловедения и новые технологии”. Ч. 7 “Новые технологии возведения зданий, расчет строительных конструкций”. - Белгород: БТИСМ, 1991. - С. 64.

14. Молодченко Г.А., Попельнух В.Н. К вопросу надежности железобетонных стен силосов // Тезисы докладов Междунар. конф. “Ресурсосберегающие технологии строительных материалов, изделий и конструкций”. Ч. 6 “Эффективные конструкции, методы расчета и возведения зданий и сооружений”. - Белгород, 1993. - С. 57.

15. Молодченко Г.А., Попельнух В.Н. Экспериментальное обоснование температурного поля в силосах для клинкера // Тезисы докладов Междунар. конф. “Ресурсо- и энергосберегающие технологии строительных материалов, изделий и конструкций”. Ч. 2 “Снижение материалоемкости и эффективные конструктивно-технологические решения, проектирование и расчет зданий и сооружений”. - Белгород, 1995. - С. 63.

АНОТАЦІЇ

Попельнух Віктор Миколайович. Температурні напруження в стінах силосів. - Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.23.01 - будівельні конструкції, будівлі та споруди. Полтавський державний технічний університет імені Юрія Кондратюка міністерства освіти України. Полтава, 1999.

Дисертація присвячена розробці методики розрахунку залізобетонних стін циліндричних силосів на температурні впливи як від зміни температури навколишнього повітря, так і від температури гарячого сипучого матеріалу при його позацентровому розвантаженні та проточному режимі. Установлено й вивчено особливості позацентрового витікання сипучого матеріалу і характер теплопередачі від сипучого до стіни силосу. Встановлено зони підвищеного нагрівання стін силосів, здатних до інтенсивного руйнування з обривом кільцевої горизонтальної арматури внутрішнього ряду. Запропоновано методику оцінки несучої здатності стін силосів, що враховує ступінь їх руйнування. Розроблено конструкцію силосів з розвантажувальними пристроями, що ґрунтується на керуванні процесом витікання сипучого матеріалу при розвантаженні, обґрунтовано її геометричні параметри. Результати досліджень упроваджено при реконструкції силосів для гарячого клінкеру на ряді цементних заводів.

Ключові слова: кінетика витікання, відносний ексцентриситет, розвантажувальна воронка, силос, температурні напруження, захисний шар бетону.

Попельнух Виктор Николаевич. Температурные напряжения в стенах силосов. - Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 05.23.01 - строительные конструкции, здания и сооружения. Полтавский государственный технический университет имени Юрия Кондратюка Министерства образования Украины. Полтава, 1999.

Диссертация посвящена разработке методики расчета железобетонных стен цилиндрических силосов на температурные воздействия. Получено общее решение задачи для объемного напряженного состояния системы массив сыпучего материала - оболочка силоса при изменении температуры окружающего воздуха, дан анализ решения для частных случаев.

Применительно к силосам для горячих сыпучих материалов в работе приведены результаты экспериментальных исследований характера движения сыпучего материала внутри массива и на поверхности контакта со стенкой модели силоса, выполненной из оргстекла разъемной по диаметральной плоскости. Анализ этих результатов позволил установить особенности внецентренного истечения сыпучего материала и характер теплопередачи от сыпучего к стене силоса.

Для подтверждения установленного механизма теплопереноса были проанализированы опыты Молодченко Г.А. с разгрузкой горячего песка на модели силоса из песчаного бетона, что позволило определить качественную сторону процесса повышенного нагрева стен емкостей при внецентренной выгрузке горячего сыпучего материала и установить зоны повышенного нагрева стен силосов, подверженных интенсивному разрушению. Количественная оценка повышенного нагрева стен силосов исследовалась в производственных условиях на двух цементных заводах. Установлено, что при простой внецентренной выгрузке горячего клинкера температура внутренней поверхности стены увеличивается в 1,5 - 1,8 раза, а при проточном режиме - в 3,0 раза. Результаты испытаний на моделях и в натурных условиях качественно совпали. Установлена также идентичность зон интенсивного движения сыпучего материала на моделях и зон разрушения стен силосов в натурных условиях.

Предложена методика оценки несущей способности железобетонных цилиндрических стен силосов, получивших в процессе эксплуатации повреждения в виде разрушения защитного слоя бетона, оголения кольцевой рабочей арматуры внутреннего ряда, ее обрыва и провисания. Приведена последовательность определения критической ширины зоны обрыва арматуры, соответствующей исчерпанию несущей способности стен силосов, составлена программа этого расчета на ПК типа IВМ.

В работе приведены рекомендации по повышению надежности стен железобетонных цилиндрических силосов для горячих сыпучих материалов с учетом степени их разрушения на момент обследования. Для исключения источника разрушения стен силосов при дальнейшей их эксплуатации разработан метод реконструкции силосов, основанный на управлении кинетикой истечения сыпучего материала при любом режиме эксплуатации. Внутри емкости над выпускными проемами устанавливают разгрузочные устройства в виде наклонных желобов открытого со стороны днища профиля. Внецентренная выгрузка заменяется выгрузкой близкой к центральной, что исключает повышенный нагрев стен силосов и их разрушение.

Результаты исследований внедрены при реконструкции силосов для горячего клинкера на ряде цементных заводов.

Ключевые слова: кинетика истечения, относительный эксцентриситет, разгрузочная воронка, силос, температурные напряжения, защитный слой бетона.

Popelnukh Victor Nicolaiyevich. Temperature streesses in silo walls. - Manuscript.

The thesis for higher degree of Candidate of Sciences (Engineering) on speciality 05.23.01 - engineering constructions, buildings and structures. Poltava Technical University named after yuri Kondratyuk the Ministry of Education of Ukraine, Poltava, 1999.

The thesis deals with the elaboration of the design procedure of the reinforced concrete walls of the cylinder-shape siloes for the temperature stresses resulting from both the temperature changes of the environmental air and loose material temperature when the loose material is eccentrically unloaded or when it is flowing.

The distinctions of the eccentric flow out of the loose material and the effect of heat transfer from the loose material to the silo wall are determined and studied.

The zones of increased heating of the silo walls exposed to the intensive destruction resulting in the break of the ring horisontal reinforcing bars of the internal row are ascertained. The estimation procedure of the load-carring capacity of the silo walls taking into account the destruction degree of the latter is suggested.

The silo construction with the unloading facilities based on the control of the loose material flow out being unloaded is developed, its geometrical parameters are validated. The results of the study are brought into commercial practice with the reconstruction of siloes for hot clinker at some cement plants.

Key words: the flow out kinetics, relative eccentricity, discharge hopper, silo, temperature stresses, protective layer of concrete.

Размещено на Allbest.ru

...