• Симоненко Г.И. "Расчет и анализ долговечности металлургических цехов"
  • Симоненко Г.И. "Расчет и анализ долговечности металлургических цехов"

    Симоненко Геннадий Иванович, начальник отдела экспертизы зданий и сооружений ООО «Ресурс»

     Расчет и анализ долговечности металлургических цехов

    В статье описаны основные элементы конструкции металлургических цехов, на основании качества и надежности которых делается анализ долговечности объекта.

    Расчет и анализ долговечности металлургических цехов

    Рост промышленного производства и развитие промышленности (технический прогресс) неизбежно связаны с капитальным строительством, с которым инженерам всех специальностей, работающим на промышленных предприятиях, в производственных объединениях, приходится сталкиваться в практической деятельности.

    При оценке металлургических цехов в рамках затратного подхода физический износ является одной из важнейших составляющих.

    Под физическим износом конструктивного элемента, инженерной системы и здания в целом понимается степень утраты ими первоначальных технико-эксплуатационных качеств, то есть  ухудшение технических и связанных с ними эксплуатационных показателей, в результате воздействия природно-климатических факторов и жизнедеятельности человека в процессе эксплуатации объекта.

    В общем виде физический износна момент его оценки выражает соотношение стоимости объективно необходимого ремонта, устраняющего повреждения элемента, инженерной системы или здания в целом, и их полной стоимости воспроизводства.

    Для определения физического износа Qф конструкций обследуют их отдельные участки, имеющие разную степень износа. Процент Qф всего здания определяют как среднее арифметическое значение износа отдельных конструктивных элементов, взвешенных по их удельным весам в общей восстановительной стоимости объекта:

           n

    Qф=Ʃdili/100

          i=l

    di  —   удельная стоимость данного конструктивного элемента или инженерной системы в  общей восстановительной стоимости, %;

    li  —   износ конструктивного элемента, установленного при техническом обследовании, %.

    В таблице приведен расчет процента износа металлургического цеха в соответствии с имеющейся формулой.

    Расчет и анализ долговечности металлургических цехов

    Наиболее распространенными методами расчета физического износа являются расчет по методу срока жизни и расчет по методу определения физического состояния объектов (элементов). Более точным является метод оценки износа по физическому состоянию с разбивкой по конструктивным элементам здания.

    В различных строительных нормах, регламентирующих оценку физического износа, содержатся подробные признаки по конструктивным элементам и инженерным системам зданий, а также соответствующие им диапазоны значений износа.

    Оценку физического износа рекомендуется производить путем сопоставления  фактических признаков износа, выявленных в результате обследования объекта оценки.  В целом по объекту износ рассчитывается с учетом удельного веса конструктивных элементов и систем.

    Анализ долговечности металлургического цеха не может быть проведен без знаний того, какого качества фундамент заложен.

    Фундаменты  представляют  собой  сложные  инженерные  сооружения: удельный объем фундамента составляет в среднем 3 – 5 м3 бетона на 1 т массы устанавливаемой машины. Стоимость фундаментов составляет 20 – 40 % стоимости строительной части цехов.

    Массивные фундаменты  выполняют из бетона или железобетона. Они могут  быть  выполнены  подвального  и  бесподвального  типа.  Чаще  всего  их сооружают  под  машины  с  кривошипно-шатунным  механизмом,  кузнечнопрессовое,  прокатное  оборудование,  под  дробилки,  компрессоры  и  электродвигатели.

    Рамные  фундаменты выполняют из жестких многостроечных рам, стойки которых устанавливают в гнезда опорной плиты и жестко заделывают в них. Рамные фундаменты устанавливают под шаровые и стержневые мельницы, вращающиеся обжиговые печи и т.д.

    По  способу монтажа фундаменты  делят  на  сборные,  сборномонолитные и монолитные.

     От качественной установки оборудования на фундамент в значительной степени  зависит  его  дальнейшая  эксплуатация.  Неправильно  заложенный фундамент часто становится причиной преждевременной порчи машины. Во время работы на фундамент действуют: сила тяжести машины, силы и моменты сил, возникающие в процессе работы машины. Особенно отрицательно влияют на фундамент силы, действующие в горизонтальной плоскости относительно установки фундамента.

    При  укладке  фундамента  необходимо  выяснить  физико-механические свойства пород в его основании.

    Насыпной  грунт,  особенно  состоящий  из  глины,  песка,  основанием фундамента служить не может.

    С целью проверки несущей способности проводят бурение грунта, как правило, на глубину не менее чем на 1 м ниже проектной глубины заложения фундамента.

    Глубина  заложения  фундамента  в  грунт  зависит  от  характера  грунта, глубины его промерзания, вида монтируемой машины. Фундамент своим основанием  должен  лежать  на  плотной  основной  поде. Обычно  глубину  заложения фундамента берут не менее 1,0 - 1,5 м.

    Если почва имеет плотный скальный грунт, то специальный фундамент может не выполняться. В этом случае можно пробурить скважины в соответствии с чертежами монтажа машины, установить в них анкерные болты и залить их бетоном.

    Высота фундамента определяется по выражению^

    H=Hr+l, или

            Vr

    H=________+l

            a*b

    а и b – соответственно длина и ширина фундамента;

    l – размер дополнительной высоты.

    Общий объем фундамента равен:

    Vo=Vr+a*b*l

     Каркасы промышленных зданий выполняют из железобетонных элементов, из металла и смешанными. Основными элементами каркаса являются: фундаменты, фундаментные балки, колонны, подкрановые балки, балки и фермы покрытий и перекрытий, элементы связей и т. д. 

    Колонны воспринимают   нагрузку  от  горизонтальных элементов каркаса и передают ее фундаментам.

    Армирование колонн осуществляют горячекатаной сталью периодического профиля класса А-III, применяя бетон марок 200–500. 

    В одноэтажных  зданиях с металлическим каркасом под очень большие нагрузки применяют колонны из металла. Они обычно имеют оголовок (верхняя часть), стержень (основная часть) и базу (опорная часть). Стержни этих колонн выполняют сплошными или сквозными (решетчатыми) постоянного и переменного сечения по высоте, а  также  раздельного  типа по  характеру  восприятия нагрузок  от  элементов здания.

    Расчет и анализ долговечности металлургических цехов

    Балки и фермы    служат для восприятия нагрузок от элементов покрытий, перекрытий, кранов и передачи их на колонны. Балки покрытий и перекрытий с пролетом 6–18 м выполняют железобетонными  постоянного  или  переменного  по  длине  двутаврового, таврового, прямоугольного, полукрестового сечения.

    Балки (ригели)  перекрытий  под  пролеты 6  и 9  м  выполняют  постоянного  сечения.  Переменное  сечение  в  балках  покрытий обеспечивает  восприятие  больших   внутренних   усилий,   возникающих  в середине пролета от внешних нагрузок,  а  также уклонов  в кровле.

    Подкрановые балки служат для передвижения по ним кранов и являются  продольными  связями  между  колоннами  каркаса.  Они  могут быть железобетонными таврового и двутаврового сечения или металлическими  под  краны  большой  грузоподъемности.   В  покрытиях одноэтажных зданий при пролетах 24 м и более используют железобетонные  и  металлические  фермы,  экономически  для  этих  условий более выгодные, чем балки.

    Панели и плиты покрытий и перекрытий непосредственно воспринимают нагрузки (от массы оборудования, различных технологических грузов, ограждающих элементов здания и т. д.) и передают их на  балки  или  фермы.  Их  выполняют  из  железобетона  ребристыми (панели) или плоскими (плиты), сплошными и пустотными.

    Основным  методом  расчета  несущих  элементов  конструкций является метод расчета по предельным состояниям. В расчете по этому  методу  вместо  единого  коэффициента  запаса  прочности  используют раздельные коэффициенты, которые устанавливают из большого числа опытных данных методами математической статистики и проверяют  практически.  Введение  в  расчет  по  методу  предельных  состояний  раздельных  коэффициентов,  а  также  учет  пластических свойств материалов  приближает  расчетные  предпосылки  к  действительным состояниям работы конструкций.

    Конструкции  должны  удовлетворять  требованиям  расчета  по двум  группам  предельных  состояний:  по  несущей  способности (по прочности  или  устойчивости)  и  по  пригодности  к  нормальной  эксплуатации по перемещениям (прогибам,   углам поворота, колебаниям, возникновениям трещин и т. п.).

    В центрально-сжатых или внецентренно сжатых   конструкциях с малыми эксцентриситетами силы учитывают работу бетона и арматуры по формуле:

    Nсж<=φ(RпрFб+RacF,a - RaFa)

    В центрально-растянутых элементах без учета трещиностойкости бетона учитывают только работу арматуры, а бетон из-за быстрого разрушения при растяжении не учитывают:

    Np=<RaFa

    Прочность изгибаемых элементов рассчитывают по III стадии напряженно-деформируемого  состояния (перед  разрушением).  При этом  в  сжатой  зоне (чаще  верхней)  учитывают  совместную  работу бетона и арматуры, а в растянутой (нижней) – только рабочей арматуры. Для  таких  сечений  с  двойной  арматурой расчетные формулы получают проектированием всех сил на ось элемента и  составлением  уравнения  моментов  относительно  центра  тяжести растянутой арматуры:

    Rпрbx=RaFa-Ra.cF,a

                           x

    Mи=<Rпрbx(h0-___)+ Ra.cF,a (h0-a,)

                            2

    Rпр  – расчетное  сопротивление  бетона   на   сжатие  призменное, МПа;

    Rа.с, Ra  – расчетное сопротивление арматуры при сжатии и растяжении, МПа;

    Fб, Fa, a F′  – площади расчетных сечений бетона, растянутой и сжатой арматуры, м;

    b, x, h0, а'  – геометрические параметры рассматриваемого сечения, м;

    Расчет  стальных  конструкций    (колонн,  элементов  ферм, стоек и подкосов рабочих площадок, подвесок оборудования и т. п.) имеет свои особенности.     

    Расчет на прочность центрально-растянутых или сжатых силой  N (H)   элементов выполняется по условию:

    FN   ≤ R γ,

    F  – площадь сечения, м2;

    R – нормативное сопротивление материала элемента растяжению, сжатию и изгибу по пределу текучести, МПа;

    γ – коэффициент условий работы.

    Для  центрально-сжатых  элементов  обязателен  расчет  на  устойчивость:

    FNϕ  ≤ Rγ

    F – площадь сечения, м2;

     φ – табличный коэффициент, зависящий от гибкости элемента.

    Необходима  также  проверка  элемента  по  касательным  напряжениям в соответствии с условием:

          QS,

    Τ= _____=<Rτƴ

           It

    Q – наибольшая поперечная сила;

    S' – статический момент относительно главной центральной оси сечения, части сечения, расположенной выше или ниже этой оси; 

    I – момент инерции сечения относительно той же оси;

    t – толщина стенки балки на уровне выше оси;

    Rτ – нормативное сопротивление материала элемента на сдвиг.

    Покрытия  предназначены  для  восприятия  нагрузок  от  оборудования, собственной массы, атмосферных осадков, ветра и передачи ее вертикальным несущим элементам (колоннам, стенам). Несущими элементами покрытий являются фермы или балки, панели или плиты, прогоны  и  т. д.;  ограждающими  элементами —  тепло-,  гидро-,  паро-изоляция и т. п.

    В промышленных зданиях применяют бесчердачные покрытия (совмещенные)  без  проветривания  теплоизоляции (в  районах  с  температурой  наружного  воздуха  до –30 °С)  и   с  проветриванием  теплоизоляции (с  температурой  наружного  воздуха  ниже  –30 °С и  в покрытиях холодильников).

    По пожароустойчивости покрытия подразделяют на несгораемые, трудносгораемые и сгораемые. 

    Покрытия могут быть с плоской ( уклон I < 2/5 %) или скатной кровлей (с одним скатом, с двумя скатами, многоскатными).

    В качестве кровельных материалов  в настоящее  время применяются следующие:

    • металлический профилированный лист;                                                                     

    • битумные (наплавляемые) материалы (техноэласт, унифлекс, биполь);

    • рубероид, сталь в рулонах и листах с различными полимерными покрытиями (фальцевые кровли);

    • шифер волнистый и плоский.                                                           

    Список литературы:

    1.      ВСН 53-86 правила оценки физического износа жилых зданий

    2.      Рекомендации по определению сроков службы конструкций полносборных жилых зданий, отдел научно-технической информации АКХ Москва 1983г

    3.      Реконструкция и реставрация зданий под редакцией В.В.Фёдорова

    4.      Ремонт и эксплуатация жилых зданий под редакцией Л. Хикиша