Теорія формоутворення вертикальних сталевих ємнісних конструкцій для сипучих матеріалів

Размещено на http://www.allbest.ru/

ДОНБАСЬКА НАЦІОНАЛЬНА АКАДЕМІЯ БУДІВНИЦТВА І АРХІТЕКТУРИ

УДК 624.954

ТЕОРІЯ ФОРМОУТВОРЕННЯ ВЕРТИКАЛЬНИХ СТАЛЕВИХ ЄМНІСНИХ КОНСТРУКЦІЙ ДЛЯ СИПУЧИХ МАТЕРІАЛІВ

05.23.01 - будівельні конструкції, будівлі та споруди

АВТОРЕФЕРАТ

дисертації на здобуття наукового ступеня

доктора технічних наук

БАННІКОВ Дмитро Олегович

Макіївка - 2010

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана в Дніпропетровському національному університеті залізничного транспорту імені академіка В. Лазаряна Міністерства транспорту та зв'язку України на кафедрі мостів.

Науковий консультант - доктор технічних наук, професор, заслужений діяч науки і техніки України КАЗАКЕВИЧ Михайло Ісакович, Дніпропетровський національний університет залізничного транспорту імені академіка В. Лазаряна, професор кафедри мостів.

Офіційні опоненти: доктор технічних наук, професор КУЛЯБКО Володимир Васильович, Державний вищий навчальний заклад “Придніпровська державна академія будівництва та архітектури”, професор кафедри металевих, дерев'яних і пластмасових конструкцій;

доктор технічних наук, професор ЮГОВ Анатолій Михайлович, Донбаська національна академія будівництва і архітектури, завідувач кафедри технології, організації і охорони праці в будівництві;

доктор технічних наук, старший науковий співробітник ГОЛОДНОВ Олександр Іванович, ВАТ «УкрНДІпроектстальконструкція ім. В. М. Шимановського», учений секретар, завідувач науково-дослідного і проектного відділу будівельних конструкцій.

Захист відбудеться « 21 » жовтня 2010 р. о 10⁰⁰ годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 12.085.01 Донбаської національної академії будівництва і архітектури за адресою: вул. Державіна, 2, м. Макіївка, Донецької обл., 86123.

З дисертацією можна ознайомитись у бібліотеці Донбаської національної академії будівництва і архітектури за адресою: вул. Державіна, 2, м. Макіївка, Донецької обл., 86123.

Вчений секретар

спеціалізованої вченої ради Я. В. Назім



АНОТАЦІЯ

Банніков Дмитро Олегович. Теорія формоутворення вертикальних сталевих ємнісних конструкцій для сипучих матеріалів. - Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня доктора технічних наук за спеціальністю 05.23.01 - будівельні конструкції, будівлі та споруди. - Донбаська національна академія будівництва і архітектури, Макіївка, 2010.

Представлено теоретичні основи концепції формоутворення вертикальних жорстких сталевих ємнісних конструкцій для сипучих матеріалів. Наведено уточнену класифікацію споруд даного типу. Розроблено аналітичні моделі геометричного формоутворення ємнісних споруд та поведінки сипучого середовища в замкненому сосуді. На їх основі отримані ряд часткових рішень для найбільш важливих практичних випадків. Пояснено виникнення ряду специфічних ефектів. Представлено результати комплексних експериментальних досліджень на підтвердження розроблених моделей. Запропоновано нову панельну конструктивну схему сталевих ємнісних будівельних конструкцій з використанням гофрованих елементів. Виконано рішення ряду важливих теоретичних задач, які мають відношення до аналізу роботи таких споруд. Розроблено інженерну методику формоутворення сталевих ємностей для сипучих матеріалів та проаналізовано її ефективність на конкретних прикладах.

Ключові слова: ємнісна конструкція, бункерна ємність, силосна ємність, сипучий матеріал, теорія формоутворення, панельна конструктивна схема, інженерна методика формоутворення.

гофрований сипучий сталевий сосуд



АННОТАЦИЯ

Банников Дмитрий Олегович. Теория формообразования вертикальных стальных емкостных конструкций для сыпучих материалов. - Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени доктора технических наук по специальности 05.23.01 - строительные конструкции, здания и сооружения. - Донбасская национальная академия строительства и архитектуры, Макеевка, 2010.

Диссертационная работа посвящена решению важной научно-технической проблемы создания надежных и долговечных вертикальных стальных емкостных конструкций для сыпучих материалов.

В первом разделе выполнен критический анализ и обобщение накопленного опыта проектирования и создания жестких вертикальных стальных емкостных конструкций для сыпучих материалов, рассмотрены основные теоретические модели и подходы, касающиеся данной тематики. Отдельное внимание уделено вопросу статистики имеющих место в практике отказов и аварий сооружений такого типа.

Во втором разделе определены основные направления проведения исследований и разработки современной целостной теоретической концепции формообразования стальных емкостных конструкций для сыпучих материалов, на основе которой в диссертационной работе решена поставленная проблема. Выполнено уточнение существующей классификации емкостных конструкций в сторону приведения ее в соответствие с имеющимися представлениями об их работе и назначении.

Третий раздел посвящен разработке теоретической модели геометрического формообразования емкостных конструкций, позволяющей аналитически определять оптимальные с точки зрения расхода материала размеры конструкции без учета воздействия сыпучей среды. Проанализированы наиболее важные практические случаи применения модели и получены ряд частных аналитических решений.

В четвертом разделе разработана теоретическая модель поведения сыпучей среды в замкнутом сосуде. Она учитывает как дискретные, так и континуальные свойства сыпучего материала, взаимодействующего с элементами конструкции. На основе данной модели получен ряд частных решений для наиболее важных практических случаев. Объяснено возникновение эффекта повышения давления сыпучего материала в момент начала разгрузки конструкций. Получены аналитические зависимости, позволяющие отыскать наиболее оптимальную форму выпускной части емкостной конструкции.

Пятый раздел посвящен экспериментальной проверке основных исходных предпосылок, использованных при разработке модели поведения сыпучей среды в замкнутом сосуде, а также самих концептуальных положений модели. Описаны цели и задачи экспериментальных исследований, использовавшиеся установки, приборы и оборудование. Приведены сведения о свойствах сыпучих материалов и их определении. Представлены результаты выполненных экспериментальных исследований на моделях и малоразмерных емкостных конструкциях, позволившие подтвердить справедливость разработанной модели сыпучей среды.

В шестом разделе проанализированы основные существующие конструктивные схемы стальных емкостных конструкций для сыпучих материалов и определены их наиболее существенные недостатки, подлежащие устранению. На основе этого предложена улучшенная панельная конструктивная схема для стальных емкостных строительных конструкций с использованием гофрированных элементов. Показано, что она обладает рядом преимуществ перед традиционной схемой, среди которых следует отметить стабилизацию напряженно-деформированного состояния конструкции, значительное снижение общей протяжности сварных швов в конструкции, повышение ремонтопригодности конструкции, возможность ориентации элементов внешнего слоя панели под углом к горизонту.

В седьмом разделе решен ряд практически важных теоретических задач, имеющих отношение к анализу работу рассмотренных емкостных сооружений. Полученные результаты могут быть использованы как при проектировании новых конструкций, так и эксплуатации существующих.

В восьмом разделе представлена разработанная на основе теоретической концепции формообразования инженерная методика формообразования стальных емкостных конструкций для сыпучих материалов и проанализирована ее эффективность на конкретных примерах. Показано, что применение данной методики дает существенное количественное и качественное улучшения уровня напряженно-деформированного состояния сооружения. По теоретическим подсчетам оно может результироваться в величину до 1,5 раз снижения общего веса конструкции при выборе сталей с повышенными прочностными характеристиками.

Ключевые слова: емкостная конструкция, бункерная емкость, силосная емкость, сыпучий материал, теория формообразования, панельная конструктивная схема, инженерная методика формообразования.



SUMMARY

Bannikov Dmytro O. Shape-formation theory of vertical steel capacity structures for granular materials. - The manuscript.

The thesis for a scientific degree of Doctor of Technical Sciences on a speciality 05.23.01 - Building structures, Buildings and Constructions. - Donbas National Academy of Civil Engineering and Architecture, Makeyevka, 2010.

The major tendencies to the creation of the theoretical shape-formation conception of vertical hard steel capacity structures for granular materials are presented. The existing classification of these structures is specified. The analytical models of geometrical shape-formation of capacity structures and granular medium behavior in a closed vessel are developed. A number of the important practical cases were obtained on their basis. The origin of some specific effects is explained. The results of the complex experimental researches are presented to confirm the developed models. The new panel structural scheme of steel capacity building structures with the usage of the corrugated elements is offered. The solution of a number of important theoretical tasks concerning the analysis of such structure work is executed. The engineering method of shape-formation for the steel capacities for granular materials is presented and its efficiency is analyzed on the concrete examples.

Key words: capacity structure, bunker capacity, silo capacity, granular material, shape-formation theory, panel structural scheme, engineering method of shape-formation.



ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. В теперішній час вертикальні ємнісні конструкції для сипучих матеріалів використовуються в багатьох сферах промисловості, сільського господарства, на транспорті. Вони є невід'ємною складовою частиною великої кількості технологічних процесів, пов'язаних із видобутком, виготовленням, переробкою, зберіганням і транспортуванням різноманітних сипучих матеріалів.

Проте, як свідчать наявні статистичні дані щодо аварійності вертикальних ємнісних конструкцій, то, на жаль, такі споруди не можна вважати достатньо надійними і довговічними. Вони мають цілу низку специфічних недоліків, пов'язаних як із певними складнощами при їх розрахунку і конструюванні, зайвими перевитратами матеріалу при їх виготовленні, так і з необхідністю використання спеціального додаткового обладнання при їх монтажі, а саме головне - довготривалій експлуатації. В свою чергу, це призводить до необґрунтованих витрат матеріальних та технічних ресурсів, підвищеного зносу обладнання, експлуатаційних збитків, додаткового використання робочої сили та зменшення довговічності ємнісних конструкцій.

Така ситуація пов'язана із багатьма чинниками, які складним способом переплелися між собою по відношенню до ємнісних споруд. Серед них можна вказати і на суттєві складнощі аналітичного опису роботи просторових підкріплених ребрами жорсткості оболонок, і на неоднозначність уявлень про сипучу середу та її поведінку у замкнених сосудах, і на міцні традиції вибору конструктивних схем. Не прояснюють загальну картину й значна кількість спроб досліджень даного класу конструкцій, які здебільшого, не отримали практичного виходу у вигляді конкретних рекомендацій, а також існуючі суперечності між інженерами-проектувальниками та інженерами-експлуатаційниками. Все це результується у відсутність в теперішній час чіткої, однозначної, внутрішньо непротирічливої, теоретично обґрунтованої й експериментально підтвердженої, ідеологічно повної та в той же час придатної до повсякденного практичного використання концепції проектування вертикальних ємнісних конструкцій для сипучих матеріалів. Саме через це виникає актуальна проблема створення надійних та довговічних ємнісних будівельних конструкцій.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Дослідження, що складають основу даної дисертаційної роботи, виконані відповідно до галузевої програми енергозбереження і впровадження альтернативних видів палива на транспорті на 2002-2010 рр. Укрзалізниці в межах держбюджетної науково-дослідної теми № 20.00.05.06 “Вдосконалення методів розрахунків та конструктивних форм транспортних споруд”, замовленої Укрзалізницею (державний реєстраційний номер 0105U001797). Дисертант був відповідальним виконавцем розділу 2 цієї теми - “Формоутворення сучасних ємнісних конструкцій на залізничному транспорті”.

Мета і завдання дослідження. Метою дисертаційної роботи є рішення важливої науково-технічної проблеми створення надійних та довговічних вертикальних сталевих ємнісних будівельних конструкцій для сипучих матеріалів, яка вирішується на основі розробки наукових положень теоретичної концепції формоутворення таких споруд.

Для досягнення поставленої мети в роботі були сформульовані і вирішені наступні завдання:

- провести критичний аналіз сучасного стану питання щодо існуючих у вітчизняній і закордонній проектній практиці підходів до проектування та формоутворення вертикальних ємнісних конструкцій для сипучих матеріалів;

- проаналізувати наявні дані, а також доступну інформацію, наведену у спеціальній звітній та фаховій літературі, з питань аварійності сталевих ємнісних конструкцій для сипучих матеріалів й існуючих теоретичних розробок щодо покращення конструкцій і методики проектування та на основі отриманих даних сформулювати сутність основних напрямків розробки теоретичної концепції формоутворення таких споруд;

- розробити геометричну та на її основі математичну модель геометричного формоутворення ємнісних конструкцій і провести її аналіз, отримавши відповідні вирази для оптимізації основних геометричних розмірів споруди без урахування взаємодії її елементів із сипучим середовищем;

- розробити фізичну та на її основі математичну модель поведінки сипучого середовища в замкненому сосуді під час його завантаження, статичного зберігання та вивантаження із сосуду і провести її аналіз, отримавши відповідні вирази для оптимізації зовнішньої форми споруди з урахуванням взаємодії її елементів із сипучим середовищем;

- провести експериментальну перевірку основних гіпотез і положень фізичної і математичної моделей поведінки сипучого середовища в замкненому сосуді;

- розробити вдосконалену конструктивну схему сталевих ємнісних споруд для сипучих матеріалів, яка б дозволяла водночас практично реалізувати отримані рекомендації щодо оптимального вибору їх зовнішньої форми і основних геометричних розмірів;

- провести теоретичний аналіз роботи ємнісної конструкції із запропонованою вдосконаленою конструктивною схемою та визначити її основні передбачувані переваги та недоліки;

- розробити придатну для безпосереднього практичного використання інженерну методику формоутворення сталевих ємнісних конструкцій на основі теоретичних результатів, отриманих в ході вищеперелічених досліджень.

Детальному опису сутності, ходу вирішення кожного із сформульованих завдань та обґрунтуванню отриманих при цьому результатів присвячено окремі розділи дисертаційної роботи.

Об'єкт дослідження - одиночна вертикальна жорстка симетрична двоступінчаста сталева ємність для зберігання сипучих матеріалів.

Предмет дослідження - загальні закономірності формоутворення об'єкту дослідження.

Методи дослідження. При проведенні представлених в дисертаційній роботі досліджень використовувались наступні методи:

- аналітичні математичні методи при побудові та подальшому аналізі моделі геометричного формоутворення ємнісних конструкцій та моделі поведінки сипучого середовища в замкненому сосуді;

- аналітичні методи планування та підготовки експериментальної перевірки основних гіпотез і положень теоретичної моделі поведінки сипучого середовища в замкненому сосуді;

- експериментальні методи спостереження і проведення натурного експерименту для перевірки, відповідно, сформульованих гіпотез і положень теоретичної моделі поведінки сипучого середовища в замкненому сосуді;

- статистичні методи аналізу результатів експериментальної перевірки основних гіпотез і положень моделей поведінки сипучого середовища в замкненому сосуді;

- метод комп'ютерного моделювання на базі одного з чисельних методів будівельної механіки - методу скінчених елементів - при проведенні попереднього моделювання ситуацій, які передбачалось дослідити в ході експерименту, при оцінці різних варіантів конструктивних схем ємностей, у тому числі і запропонованої авторської панельної конструктивної схеми із використанням гофрованих сталевих листів, а також при розгляді ряду теоретичних задач щодо роботи окремих конструктивних елементів ємнісної конструкції;

- методи техніко-економічного порівняння при проведенні порівняльного аналізу конструкції сталевої ємності для сипучих матеріалів, спроектованої відповідно до існуючих рекомендацій та розробленої автором концепції формоутворення.

Наукова новизна одержаних результатів полягає в тому, що:

- вперше зібрано та проаналізовано наявні статистичні дані з питань аварійності сталевих ємнісних конструкцій для сипучих матеріалів, на основі яких розроблено основні напрямки теоретичних досліджень, спрямованих на усунення виявлених недоліків в уявленнях про роботу таких споруд;

- удосконалено існуючу класифікацію ємнісних конструкцій таким чином, що це дозволяє з однакових позицій розглянути в ході досліджень традиційно розмежовуванні види ємнісних конструкцій, зокрема, бункера та силоси;

- вперше розроблені геометрична та математична моделі геометричного формоутворення ємнісної конструкції для загального випадку багатоступінчастої споруди, на основі яких отримані аналітичні вирази щодо оптимального вибору її основних геометричних розмірів;

- удосконалено існуючий підхід до побудови фізичної дискретної моделі взаємодії сипучого середовища із замкненим сосудом, в якому він знаходиться, на основі чого вперше отримано аналітичні вирази для визначення коефіцієнту бокового тиску на стінки сосуду під час статичного зберігання та початку вивантаження;

- на основі розробленої автором дискретно-континуальної моделі взаємодії сипучого середовища із замкненим сосудом вперше отримано аналітичні вирази для розрахунку тиску сипучого середовища на стінки сосуду під час статичного зберігання та початку вивантаження, а також обґрунтована природа ефекту підвищення тиску на елементи сосуду при початку вивантаження сипучої речовини;

- на основі розробленої автором дискретно-континуальної моделі взаємодії сипучого середовища із замкненим сосудом вперше отримано аналітичні вирази щодо оптимального вибору зовнішньої форми ємнісної споруди;

- на основі проведених комплексних експериментальних досліджень взаємодії сипучого матеріалу із елементами ємнісної споруди підтверджено основні положення авторської дискретно-континуальної моделі взаємодії сипучої середи із замкненим сосудом;

- вдосконалено існуючу конструктивну схему ємнісної споруди на основі вперше запропонованої автором панельної конструктивної схеми з використанням гофрованих сталевих елементів, а також визначено раціональні співвідношення геометричних розмірів її окремих конструктивних елементів.

Практичне значення одержаних результатів полягає в тому, що:

- на основі розроблених автором теоретичних моделей запропоновано нову теоретичну концепцію формоутворення сталевих ємнісних конструкцій для сипучих матеріалів, яка дозволяє більш обґрунтовано та з однакових позицій підійти до питань вибору зовнішньої форми, основних геометричних розмірів таких споруд та розмірів перерізів їх несучих елементів;

- розроблено інженерну методику формоутворення сталевих ємнісних конструкцій для сипучих матеріалів, придатну до безпосереднього практичного використання;

- на основі проведених автором аналітичних та чисельних досліджень роботи панельної конструктивної схеми ємності визначені основні особливості її практичного використання для сталевих ємнісних споруд і основні передбачувані її переваги та недоліки.

Застосування розробленої автором методики формоутворення сталевих ємнісних конструкцій для сипучих матеріалів дозволяє не тільки більш обґрунтовано та з мінімальними витратами матеріалу виконувати проектування таких споруд, а й уникнути або зменшити вплив ряду недоліків, притаманних конструкціям, створеним відповідно до існуючих рекомендацій. До того ж, як свідчать результати авторських досліджень, при цьому мають місце теоретичні резерви для зниження маси конструкцій розглядуваного типу на 15 - 20 % за рахунок більш раціонального використання матеріалу в споруді.

Дана методика видана автором у вигляді видання “Руководство по проектированию вертикальных стальных емкостных конструкций для сыпучих материалов” та отримала безпосереднє впровадження у проектну практику ряду проектно-конструкторських організацій та підприємств (ДП “Укрдіпромез”, ВАТ ПІ “Дніпропроектстальконструкція” ДП “Укрзалізниця”, ДП “УНДКТІ “ДІНТЕМ”), про що наявні відповідні акти впровадження, наведені в додатку Б до дисертаційної роботи.

Особистий внесок здобувача. Всі наукові результати, які представлені в дисертації, отримані здобувачем особисто, а саме:

- проведення аналізу наявної нормативної та фахової літератури з питань проектування та експлуатації ємнісних конструкцій для сипучих матеріалів;

- визначення та подальша розробка основних напрямків теоретичних досліджень, спрямованих на усунення основних недоліків в уявленнях про роботу таких споруд;

- розробка та подальший аналіз моделей геометричного формоутворення ємнісної споруди та взаємодії сипучого середовища з її елементами;

- концептуальна та технологічна постановка всього обсягу натурних спостережень та експериментальних досліджень, представлених в дисертації, разом з подальшим аналізом отриманих результатів і формулюванням відповідних висновків;

- розробка вдосконаленої панельної конструктивної схеми ємнісних споруд і проведення аналітичних та чисельних досліджень її роботи;

- розробка теоретичної концепції формоутворення сталевих ємнісних конструкцій для сипучих матеріалів, а також на її основі - відповідної практичної інженерної методики.

Апробація результатів дисертації. Основні положення і результати дисертаційної роботи обговорювались на: 3-ій Міжнародній конференції “Thin-Walled Structures” (Лондон, 2001); 10-му, 12-му, 13-му, 16-му Українсько-Польських наукових семінарах “Теоретичні основи будівництва” (Варшава, 2002 і 2004; Дніпропетровськ, 2005 і 2008); VIII Українській науково-технічній конференції “Металлические конструкции: взгляд в прошлое и будущее” (Київ, 2004); V Міжнародній науково-технічній конференції “Будівельні металеві конструкції: сьогодення та перспективи розвитку” (Київ, 2006); ІХ Українській науково-технічній конференції “Металеві конструкції: сьогодення та перспективи розвитку” (Київ, 2008); колоквіумі “Расчет и проектирование пространственных большепролетных конструкций” (Скадовськ, 2007 і 2009); Всеукраїнській конференції “Інженерні рішення та інновації в будівництві і архітектурі” (Одеса, 2009); 4-му і 6-му Українському міжгалузевому науково-практичному семінарі “Сучасні проблеми проектування, будівництва та експлуатації споруд на шляхах сполучення” (Київ, 2002 і 2006); І і ІІ Міжнародній науково-практичній конференції “Проблемы и перспективы развития транспортных систем и строительного комплекса” (Гомель, 2003 і 2008); Міжнародній науковій конференції “Математичні проблеми технічної механіки - 2009” (Дніпродзержинськ - Дніпропетровськ, 2009); 65-й, 66-й, 67-й, 68-й і 69-й Міжнародній науково-практичній конференції “Проблеми і перспективи розвитку залізничного транспорту” (Дніпропетровськ, 2005 - 2009); VIII Міжнародній молодіжній науково-практичній конференції “Людина і космос” (Дніпропетровськ, 2006); V Міжнародній науково-практичній конференції “Динаміка наукових досліджень” (Дніпропетровськ, 2002); науковому семінарі кафедри конструкцій з металу, дерева та пластмас ПолтНТУ ім. Ю. Кондратюка (Полтава, 2007); міжкафедральному науковому семінарі кафедри металевих конструкцій та кафедри теоретичної і прикладної механіки ДонНАБА (Макіївка, 2007); міжкафедральному науковому семінарі кафедри металевих, дерев'яних і пластмасових конструкцій та кафедри будівельної механіки і опору матеріалів ПДАБА (Дніпропетровськ, 2007); засіданні технічної ради ВАТ Проектний інститут “Дніпропроектстальконструкція” (Дніпропетровськ, 2008).

В повному обсязі дисертаційна робота доповідалась на:

- міжкафедральному науковому семінарі за участю кафедри металевих, дерев'яних і пластмасових конструкцій, кафедри залізобетонних і кам'яних конструкцій та кафедри будівельної механіки і опору матеріалів ПДАБА (Дніпропетровськ, 2009);

- міжкафедральному науковому семінарі кафедри металевих конструкцій, кафедри теоретичної і прикладної механіки та кафедри технології, організації і охорони праці в будівництві ДонНАБА (Макіївка, 2009);

- розширеному засіданні кафедри конструкцій з металу, дерева і пластмас разом із кафедрою залізобетонних, кам'яних конструкцій і опору матеріалів та кафедрою будівельної механіки ПолтНТУ ім. Ю. Кондратюка (Полтава, 2009);

- засіданні Вченої ради УкрНДІПСК ім. В. М. Шимановського (Київ, 2009);

- засіданні НТС ЦНДІПСК ім. М. П. Мельникова (Москва, 2009).

Публікації. Основні представлені в дисертації результати досліджень опубліковані у 32 наукових працях (22 без співавторів). З них дві монографії, 27 робіт опубліковані в фахових виданнях ВАК України (6 у наукових журналах та 21 у збірниках наукових праць). Одержано три деклараційні патенти України на винаходи.

В роботах, надрукованих із співавторами, автору належать збір та аналіз статистичних даних, формулювання та розробка основних напрямів вдосконалення сучасної концепції проектування сталевих ємнісних конструкцій, розробка нових варіантів конструктивних рішень та аналіз їх переваг й недоліків, вибір методу досліджень, проведення досліджень та аналіз й узагальнення отриманих результатів.

Структура і обсяг дисертації. Дисертація складається з вступу, восьми розділів, висновків, двох додатків і списку використаних літературних джерел (315 найменувань). Повний обсяг роботи становить 332 сторінки, в тому числі 35 повних сторінок з ілюстраціями і таблицями, 11 сторінок додатків, 31 сторінка списку використаних джерел.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі викладена загальна характеристика дисертації. Обґрунтовано актуальність розглянутої проблеми, сформульовано мету і завдання досліджень, визначено об'єкт і предмет досліджень. Висвітлено наукову новизну одержаних результатів, приведено відомості щодо їх практичного значення. Наведено дані про публікації та апробацію результатів дисертації, зазначено особистий внесок здобувача до робіт, написаних із співавторами, розкрито структуру та обсяг дисертації.

Перший розділ присвячено аналізу сучасного стану питання щодо проектування та створення вертикальних сталевих ємнісних будівельних конструкцій для сипучих матеріалів.

В першу чергу окреслені сучасні області застосування та основні конструктивні різновиди сталевих ємностей для сипучих матеріалів, вказано на їх функціональне призначення. Зокрема відмічено, що розповсюдженість таких споруд є досить значною, і вказати галузь, в якій такі б конструкції не застосовувались, виявляється доволі важко. Саме тому сучасні вертикальні сталеві ємнісні конструкції для сипучих матеріалів вирізняються надзвичайною різноманітністю як у зовнішніх формах, так і у своїх геометричних розмірах (від 0,5 - 1 м в плані до 15 - 18 м).

Аналіз як вітчизняної, так і закордонної нормативно-технічної документації з питань проектування ємнісних будівельних конструкцій для сипучих матеріалів дозволяє констатувати, що в цілому сучасна концепція проектування зорієнтована на розгляд єдиної просторової ємнісної конструкції як ансамблю простих складових елементів, які розраховуються за спрощеними розрахунковими схемами. Таким чином, втрачається єдність в уявленні про роботу споруди під навантаженням.

Основним технологічним навантаженням вважається статичний тиск від сипучого матеріалу на стінки ємності. Проте для його визначення використовуються різні теоретичні моделі - модель Г. А. Янсена, модель В. Ренкіна, модель М. Ремберта, тощо. Всі вони не досить добре узгоджуються як із наявними дослідно-експериментальними результатами, так і йдуть всупереч ряду практичних даних. Тому ці моделі доповнюють рядом емпіричних поправочних коефіцієнтів, величина яких може сягати значення 2,5.

Хоча подібна представлена концепція проектування та створення ємнісних конструкцій для сипучих матеріалів, закладена у різноманітні нормативні документи і фахові довідники, формувалась та уточнювалась на протязі багатьох десятиріч, однак досвід експлуатації свідчить про її недосконалість. Адже в практиці експлуатації ємнісні конструкції виявляються недостатньо надійними і довговічними, про що свідчить наявна статистика їх відмов та аварій.

Така статистика була окремо й детально проаналізована в роботі. Виділено три групи характерних помилок, які притаманні розглядуваному виду споруд, та наведено їх приблизний кількісний розподіл - помилки проектування (невірне визначення тиску від сипучого матеріалу - до 30 %, невірне уявлення про роботу окремих елементів конструкції і ситуація типу “надмірне розширення сфери застосування” - до 40 %), помилки виготовлення і монтажу (складність точної стиковки окремих елементів, наявність різноманітних дефектів) - до 10 %, помилки експлуатації (значне корозійне пошкодження, руйнування футеровки) - до 20 %.

Зважаючи на таку ситуацію, продовжується пошук більш досконалих конструктивних форм та розробка більш адекватних теоретичних моделей.

Значну частину цих розробок становлять дослідження взаємодії сипучого середовища з елементами ємнісної конструкції. Вони спрямовані, в першу чергу, на вивчення процесу розвантаження та утворення сводів. Відомі роботи належать Г. А. Генієву, Р. Л. Зенкову, Г. Ф. Дженкіну, І. Робертсу. І в теперішній час це питання розроблено достатньо повно.

Щодо визначення статичного тиску сипучого матеріалу в замкненому сосуді, то на тепер сформувались три основні напрямки побудови теоретичних моделей.

Перший напрямок пов'язаний із розглядом сипучої речовини як сплошної континуальної середи і залученням математичного апарату класичної теорії пружності, засновником якого можна по праву вважати Г. А. Янсена. До робіт цього напрямку належать праці М. Г. Бескіна, Ю. А. Березіна, В. Т. Бугайова, М. А. Бурмістрова, В. Н. Биковського, М. Н. Варгіна, Г. І. Глушкова, М. М. Гольдштейна, В. Х. Гольцмана, С. С. Григоряна, В. Б. Гуревича, Є. М. Гут'яра, Л. В. Єршова, В. С. Зеленського, М. Є. Кагана, Г. К. Клейна, А. П. Ковтуна, І. І. Кочанова, В. С. Кунакова, І. П. Лінчевського, П. І. Лук'янова, І. П. Мерзлякова, В. Н. Михайличенко, П. Н. Платонова, В. В. Світличного, М. В. Сорокіна, С. Г. Тахтамишева, М. І. Хаймовича, Д. В. Шумського, Н. Н. Ященко та ін. Із закордонних фахівців слід відмітити Дж. Біареза, А. Є. Делакроа, Р. Кванілу, Г. Келлера, Н. С. Кетчума, М. Ремберта, Х. Таубманна, тощо.

Другий напрямок, навпаки, пов'язаний із розглядом сипучої речовини лише як дискретної зернистої структури і залученням в цьому випадку вже інших методів - статистичних. Засновниками цього напрямку можна вважати М. С. Бернштейна, І. І. Кандаурова, Г. І. Покровського. Серед сучасних розробок науковців слід відзначити роботи В. Є. Магули, А. М. Харабета.

Проте ці обидві напрямки є, в значному сенсі, тупиковими, оскільки сипуча середа є за своєю природою дуальною. Саме комплексному розгляду сипучої речовини присвячений третій напрямок. Його основу заклав В. О. Богомягких, який ввів поняття кута укладки зерен сипучого матеріалу. Л. В. Гячевим побудовано теорію руху сипучої речовини в ємнісній конструкції, а статична задача визначається як частковий випадок цієї динамічної задачі. Проте розраховані за цією моделлю результати суперечать експериментальним даним.

Ще одним важливим та цікавим питанням є дослідження можливих динамічних ефектів, що супроводжують рух сипучого матеріалу в ємнісній конструкції. Всього виділяють чотири типи таких ефектів: ударна дія при падінні глиби|брила| сипучого матеріалу, вібраційна пульсація споруди|спорудження| при розвантаженні, ефект підвищення тиску|тиснення| при розвантаженні, ефект типу “гідравлічний удар” при швидкому припиненні розвантаження.

По відношенню до перших двох ефектів наявні досить детальні конструктивно-технологічні рекомендації, які дозволяють їх уникнути в практиці проектування. Щодо ефекту підвищення тиску, то теоретичного пояснення йому у фаховій літературі поки немає. Багато дослідників констатують його появу, проте придатна теоретична модель для цього випадку, на жаль, автору даної дисертаційної роботи не відома. Останній динамічний ефект типу “гідравлічний удар” належить до найменше вивчених, про який фахівці вказують лише на можливість його виникнення (А. В. Перельмутер, В. В. Кулябко).

Питання вибору зовнішньої форми та призначення геометричних розмірів розроблені до теперішнього часу досить слабко. Відомі деякі часткові рекомендації для споруд найпростіших геометричних форм (К. В. Алферов, Х. Ягофаров, А. Х. Ягофаров). Для більш складних випадків рішення відсутні.

В остаточному вигляді сучасне конструктивне рішення сталевих ємнісних будівельних конструкцій для сипучих матеріалів сформувалось приблизно до 70-х років ХХ ст. і в такому вигляді використовується і дотепер: замкнена оболонка зі сталевих листів відносно невеликої товщини (4 - 16 мм), підкріплена ребрами жорсткості. Однак фахівцями відмічаються ряд недоліків, притаманних йому: висока нерівномірність напружено-деформованого стану, наявність концентраторів напружень, часті відмови; підвищені витрати матеріалу і підвищена деформативность конструкції; велика протяжність зварних швів; низька ремонтопридатність конструкції; утрудненість монтажу при значних розмірах конструкції; розташування і просторова орієнтація вузлів і з'єднань елементів, що сприяє появі і розвитку осередків інтенсивної корозії; зовнішня форма ємності, що сприяє сводоутворенню.

Така ситуація спонукала інженерів, винахідників та науковців працювати над вдосконаленням існуючого конструктивного рішення. При цьому більшість фахівців зосередились на двох основних напрямках: розробка різноманітних пристроїв для підвищення ефективності розвантаження ємності (автором роботи нараховано вже понад 300 подібних конструкцій, однак всі вони утворюють при роботі небажану вібрацію) та розробка лекгозбірних конструкцій ємностей, переважно силосного типу, із застосуванням гнучких елементів або простих одиночних гофрованих панелей. Однак, як констатують самі автори розробок, такі конструкції виявляються непридатними для промислових підприємств з важкими сипучими матеріалами та агресивними середовищами.

Частина досліджень, також, спрямована на покращення роботи окремих вузлів ємнісних конструкцій (Т. О. Шмельова, А. В. Варламов, А. Х. Ягофаров) та обґрунтування вибору орієнтації розташування ребер жорсткості (Х. Ягофаров). Проте всі такі підходи лише частково покращують ситуацію, ліквідуючи тільки деякі із вказаних вище недоліків конструктивної схеми.

Основні теоретичні дослідження роботи сталевих ємнісних конструкцій для сипучих матеріалів спрямовані на уточнення плоских розрахункових схем. Найбільш відомі розробки в цьому напрямку належать Ленінградській школі інженерів, які пішли шляхом підвищення несучої здатності елементів конструкції за рахунок врахування їх пластичної роботи (Б. І. Любаров, Ю. С. Плішкін). До цього ж напрямку належать і роботи В. І. Малого та М. Б. Соловйова, які однак не були доведені до практично зручного способу розрахунку.

Наприкінці ХХ ст. Х. Ягофаровим дослідження були переорієнтовані на вивчення просторової роботи конструкцій ємностей для сипучих матеріалів, оскільки саме такий напрям міг пояснити причини відхилень експериментальних результатів від теоретичних. Йому вдалося частково вирішити проблему врахування просторової роботи конструкції пірамідально-призматичного бункера за рахунок використання вертикальної жорсткості стінок воронки.

Широке розповсюдження наприкінці ХХ ст. одного з сучасних чисельних методів будівельної механіки - методу скінчених елементів (МСЕ) - відкрило нові можливості для дослідників. В своїй кандидатській дисертаційній роботі автор запропонував методику використання МСЕ для конструкцій такого типу, дослідив її можливості, а також, встановив певні закономірності просторової роботи бункерних ємностей, вказавши на їх основні конструктивні недоліки. Розвиток даного напрямку продовжив А. Х. Ягофаров, який в своїх дослідженнях спрямував свою увагу на конусно-циліндричні ємності.

Наявні експериментальні дослідження роботи вертикальних сталевих ємнісних конструкцій для сипучих матеріалів проводились рядом вітчизняних проектних організацій - ЦНДІПСК, ЛенПСК, ДніпроПСК, а також наукових установ - ДонНАБА (А. М. Югов), ВАТ “УкрНДІпроектстальконструкція ім. В. М. Шимановського” (О. І. Голоднов). Результати цих робіт дозволили констатувати існуючу відмінність між теоретичними підходами (офіційною методикою проектування) та встановленою роботою конструкцій.

В другому розділі окрему увагу приділено питанню щодо відмінності між силосною та бункерною ємністю. Відповідно до сучасної нормативно-довідкової літератури загальною є тенденція вважати силосами споруди із більш високою вертикальною частиною, а бункерами - із менш високою. Проте кількісна границя за різними джерелами має визначатись по-різному, а ряд сучасних довідкових видань взагалі не наводить ніякої кількісної межі. Між тим формальна різниця в назві ємності веде до принципової різниці в теоріях визначення тиску сипучого матеріалу на елементи конструкції. Більше того, різними виявляються і методика подальшого визначення зусиль в елементах споруди, і навіть, рекомендації з конструювання.

Проводячи дослідження в даній сфері, автор дійшов висновку, що будь-яка ємнісна конструкція для сипучих матеріалів незалежно від її зовнішньої форми та геометричних розмірів чи співвідношень окремих складових частин, має підпорядковуватись єдиним закономірностям роботи. Особливо це стосується взаємодії сипучої середи із елементами конструкції. Ця ідея, в значній мірі, була покладена в основу представлених в даній дисертаційній роботі досліджень.

Таким чином, було уточнено існуючу класифікацію ємнісних конструкцій в деяких аспектах (рис. 1). По-перше, слід розглядати конструкції ємностей, як самостійний клас будівельних конструкцій, що виконує окрему технологічну операцію зі зберігання різних середовищ, не включаючи їх до класу листових або складчастих конструкцій. Сюди ж слід відносити газгольдери і резервуари. По-друге, всередині підкласу “ємності для сипучих матеріалів” представляється можливим виділити гнучкі і жорсткі різновиди цих конструкцій. І по-третє, пропонується не виділяти окремо силоси і бункери, об'єднавши їх в один різновид жорстких вертикальних ємностей для сипучих матеріалів.

В цьому ж розділі сформульовані основні напрями подальших досліджень, які логічно випливають із оглядового матеріалу першого розділу.

Як і при проектуванні будь-якої будівельної конструкції, проектування ємнісних конструкцій починається з вибору їх зовнішньої форми і призначення основних геометричних розмірів. Оскільки чітких рекомендацій з цього приводу дотепер не існує, то упорядкування цього питання є важливим не тільки з точки зору зменшення різновидів ємнісних споруд для сипучих матеріалів, але й з точки зору відшукання більш економічної геометричної форми.

Безумовно, що його рішення не може базуватися тільки на побудові і застосуванні лише геометричних уявлень. Сипучий матеріал, який знаходиться в ємнісній конструкції, завдяки своїм специфічним властивостям має вносити свої корективи. Тому розробка більш сучасної та адекватної теорії поведінки сипучого матеріалу в замкненому просторі є наступним важливим питанням, яке має бути розроблено та досліджено належним чином. До того ж така модель має пройти й обов'язкову комплексну експериментальну перевірку.

В свою чергу визначена зовнішня форма споруди має бути практично втілена за допомогою відповідних конструктивних рішень. Розробка більш досконалої конструктивної схеми складає третій напрям досліджень.

Наступним важливим питанням є теоретичний аналіз роботи ємнісної конструкції під навантаженням. У випадку ж використання нової конструктивної схеми попереднє вивчення особливостей і закономірностей її роботи виявляється вкрай необхідним.

В цілому розробка перелічених вище чотирьох принципово важливих питань у сукупності дозволяє розробити єдину, внутрішньо непротирічливу та засновану на сучасних засадах концепцію формоутворення сталевих ємнісних споруд для сипучих матеріалів оскільки, саме за допомогою вірного й обґрунтованого вибору зовнішньої геометричної та конструктивної форм ємностей з'являється можливість покращити як їх роботу, так і сам процес їх створення та експлуатації. Проте отримані теоретичні результати після відповідного узагальнення та аналізу мають бути представлені у вигляді, зручному для безпосереднього практичного використання - інженерної методики.

Питання стосовно порівняння кінцевих результатів розробленої авторської методики проектування із результатами традиційної методики є завершальним фрагментом досліджень і саме він має визначити ступінь ефективності всього проведеного обсягу досліджень.

Таким чином може бути сформована загальна структурно-логічна схема проведення досліджень. Вона представлена на рис. 2 і має вигляд паралельно-послідовного алгоритму.

В третьому розділі розглянуто питання геометричного формоутворення ємнісних конструкцій, а точніше - визначення оптимальних співвідношень між її окремими елементами для загального випадку багатоступінчастої споруди.

Попередньо були розглянуті ємнісні конструкції простої геометричної форми та проаналізована їх порівняльна ефективність. Зокрема відмічено, що, наприклад, приймаючи прямокутну форму ємності замість круглої в плані, витрачається на 20 % більше матеріалу.

Була запропонована відповідна геометрична модель, яка являє собою ємнісну конструкцію, що складається з довільної кількості k окремих частин, зв'язаних конструктивно. Кожна частина є просторовою об'ємною фігурою, що має горизонтальний поперечний переріз у вигляді правильного багатокутника з кількістю сторін n (в граничному випадку - коло). Бічні поверхні моделі утворені кривими, описуваними функцією R(y), які в окремому випадку можуть бути прямолінійними. Вся конструкція передбачається двоякосіметричною відносно вертикальної осі Y.

В якості заданих параметрів передбачаються наступні величини: ширина випускного отвору а в нижній частині ємності, визначувана технологічними факторами, форма бічної стінки довільної i-ої частини ємності R_i(y_i), також визначувана технологічними факторами і товщина i-ої частини ємності t_i. До заданих параметрів, також, відносяться кількість окремих частин ємності k, кількість сторін багатокутника в горизонтальному поперечному перерізі n_i, а також об'єм ємності V, який і визначає можливість постановки математичної задачі. В ході її рішення потрібно визначити оптимальні висоти окремих частин ємності y_i за умови отримання мінімальної маси споруди. Цей критерій був обраний, як найбільш природній для будівельних конструкцій.

Таким чином цільова функція має вигляд виразу (1). Обмеженнями при цьому є вирази, що відображають взаємозв'язок окремих частин конструкції між собою (2) і загальний сталий об'єм споруди (3):

, (1)

, (2)

. (3)

Сформульована математична задача є задачею на відшукання умовного екстремуму при заданих обмеженнях. Для її рішення був використаний метод невизначених множників Лагранжа. Побудована математична модель являє собою вид виразу (4):

. (4)

При цьому досліджувана функція є функцією декількох змінних, вид якої до того ж наперед невідомий, тобто вона може бути як лінійною, так і бути поліномом вищих ступенів або ж взагалі містити складні трансцендентні функції, тощо. В кожному конкретному випадку ємності вид функції, звичайно, буде відомий і визначиться заданою формою бічної поверхні - функцією R(y).

Загальне рішення являє собою систему алгебраїчних рівнянь. До її складу входить рівняння обмеження у вигляді виразу (5) і рівняння виду (6), кількість яких відповідає кількості частин ємнісної конструкції:

, (5)

. (6)

Для найбільш важливих та розповсюджених в проектній практиці конструктивних випадків досить просто можуть бути отримані готові аналітичні залежності в замкнутому вигляді, що дозволяють відшукати необхідні оптимальні розміри окремих частин ємнісної конструкції і придатні для безпосереднього практичного застосування. Для деяких випадків аналогічні рішення були додатково перевірені методом зведення задачі до однієї змінної.

Разом з цим був досліджений вплив ряду конструктивних параметрів на кінцеві результати. Зокрема проаналізовано ширину випускного отвору а і співвідношення товщин окремих частин ємнісної споруди. Вплив першого параметру виявився доволі несуттєвим і при практичних розрахунках ним можна в більшості випадків нехтувати. Другий параметр відіграє більш важливу роль.

Щодо можливих сфер застосовності отриманого загального рішення необхідно замітити, що вихідні передумови представленої в даному розділі моделі, а також отримані на їх основі аналітичні вирази, не передбачають будь-яких обмежень як з точки зору розмірів ємнісних конструкцій, так і матеріалу. Це означає, що наведені рішення придатні як для малорозмірних споруд, так і споруд значних розмірів, а також, як для сталевих ємностей, так і для залізобетонних або виконаних з будь-якого іншого матеріалу.

Також слід зазначити, що розглянутий підхід до оптимізації геометричних розмірів ємнісних споруд може бути використаний не тільки для конструкцій ємностей, що оперують з сипучими матеріалами. Він придатний і для інших видів листових конструкцій, таких як, наприклад, повітряних нагрівачів, пиловловлювачів, скруберів і, навіть, конструкцій кожуха доменної печі, які є також оболонковими конструкціями.

Четвертий розділ присвячено дослідженню особливостей взаємодії сипучого середовища із елементами замкненого сосуда, який являє собою ємнісна будівельна конструкція. При цьому розглядався сипучий матеріал в його класичному розумінні (відсутність сил зчеплення між окремими зернами).

За основу була прийнята фізична дискретно-континуальна модель сипучого середовища. Модель розглядає статичну рівновагу елементарного горизонтального шару сипучого матеріалу нескінченно малої товщини dy. Цей шар знаходиться під дією наступних сил: зверху вертикально вниз спрямоване зусилля від ваги вищерозташованої маси сипучої речовини, позначене як F (F₁, F₁' і т. д. для окремих зерен), знизу діє реакція від нижчерозташованого сипучого матеріалу - Q (Q₃, Q₃' і т. д. для окремих зерен). Сам шар має власну вагу dG, спрямовану вертикально вниз. З боку стінок ємності, нахилених під кутом до горизонталі, форма яких описується функцією R(y), на елементарний шар діє реакція dR (R_n2 на окреме зерно), спрямована під довільним кутом. Вона може бути представлена у вигляді векторної суми нормальної dR_n (N₂ на окреме зерно) та дотичної dR (Т₂ на окреме зерно) складових реакції.

Елементарний шар і всі зерна сипучого матеріалу, які його складають, знаходяться в стані статичної рівноваги. Склавши відповідні рівняння рівноваги можна отримати загальне диференційне рівняння рівноваги у вигляді виразу (7) або із використанням допоміжної функції f(y) - у скороченому вигляді (8):

, (7)

, (8)

де P_в - вертикальний тиск сипучого матеріалу на глибині y, g - прискорення вільного падіння, - питома вага сипучого матеріалу, - кут зовнішнього тертя сипучого матеріалу о матеріал стінок ємнісної конструкції. З математичної точки зору рівняння (8) є лінійним неоднорідним диференційним рівнянням першого порядку. Відомо його загальне рішення, яке в даному випадку буде мати вигляд виразу (9), а інтеграл від допоміжної функції - вигляд (10):

...