10936

Д.В. Гринюк, А.П. Феоктистова, Е.О. Сучкова

ФГБОУ ВО «Нижегородский государственный архитектурно-строительный университет»

ОПТИМАЛЬНЫЙ ПОДБОР СЕЧЕНИЙ СТАЛЬНОГО КАРКАСА БЛОК-МОДУЛЬНЫХ КОТЕЛЬНЫХ В СЕЙСМИЧЕСКОМ РАЙОНЕ

Отопление – это то, без чего люди не могут обойтись в холодное время года, будь то промышленный комплекс, торговый центр или обычное жилое здание. В связи с быстро развивающимся и быстро растущим миром необходимо отапливать все больше и больше зданий и сооружений. Но неужели каждый раз нужно возводить массивные котельные с бетонными трубами прежде чем вводить здания в эксплуатацию? Эту проблему решают блочно-модульные котельные (БМК).

БМК – это котельная заводской готовности, состоящая из одного или нескольких модулей, т.е. котельная собирается в заводских условиях, отгружается и после установки, практически сразу, готова выполнять свои прямые функции. Комплектация котельной может быть любой, все зависит от желания заказчика, а также такие котельные не требуют постоянного нахождения обслуживающего персонала. Такие котельные могут быть мощностью до 100 МВт. Для сравнения мощность котельной отапливающей жилой комплекс «Седьмое небо» составляет 26 МВт [3]. Но можно ли использовать такие котельные в сейсмоопасных районах?

БМК состоят из стального каркаса, которые хорошо воспринимают динамическую нагрузку при этом не разрушаясь. Сама масса БМК небольшая, что так же хорошо влияет на «поведение» БМК во время сейсмического воздействия. Кровля и стены состоят из легкосбрасываемых конструкций – сэндвич-панели 80 и 100 мм соответственно. Дымовые трубы сделаны из сэндвич-модулей, которые имеют небольшую массу, и, в случае повреждения, их легко можно будет восстановить. Таким образом БМК не только можно строить в сейсмоопасных районах, но и даже нужно, так как у них значительные преимущества перед стационарными массивными котельными.

Рассмотрим проектирование и расчет БМК на конкретном примере. 6 октября 2020 года была введена в эксплуатацию БМК (рис.1 и рис. 2) в г. Абинск Краснодарский край. Котельная предназначена для теплоснабжения плодохранилища общей вместимостью 15 000 тонн яблок с блоком сортировки и может работать на двух видах топлива – природный газ и дизельное топливо. Предусмотрено аварийное топливохранилище блочно-модульного исполнения. БМК состоит из 2-х блоков и мачты для дымовой трубы. Общая рабочая масса не более 30 тонн. Мачта дымовой

30

трубы так же выполнена из стальных профилей, к которым крепится дымовая труба. Общая масса мачты составляет не более 2,5 т.

Для начала расчета и проектирования мы должны определить сейсмичность. По приложению А [2] степень сейсмической опасности в г. Абинск составляет 8 баллов по шкале MSK-64. После этого проводятся необходимые расчеты (сбор нагрузок [3], определение нормативной и сейсмической нагрузки и т.д.) и создается расчетная схема в программном комплексе SCAD (рис. 3), где задаются нагрузки и предварительные сечения.

Рис. 3. Расчетная схема БМК с номерами элементов.

Самое главное учесть максимально возможное количество нагрузок, действующих на котельную, такие как постоянные нагрузки (собственный вес), длительные нагрузки (вес кровли, стен и оборудования),

31

кратковременные нагрузки (снег, ветер, полезные нагрузки) и особые нагрузки (сейсмика). Перевести нагрузки в массы и сделать расчет. Расчет нужно делать как минимум по двум направлениям (x и y), но лучше так же учесть и угловую нагрузку (комбинация загружений x 0,67 и y 0,67)

Потом проводим расчет и корректируем с помощью подбора сечения. Смотрим напряжения, перемещения, критический фактор Kmax и сравниваем с необходимыми нормативными документами (рис. 4). Критический фактор Kmax несущих конструкций должен составлять не более 0,85 – 0,9 в сейсмоопасных районах, согласно требованиям госэкспертизы. Расчет произведен верно, когда сумма эффективных модальных масс, учтенных в расчёте, составляет не менее 90% общей массы системы, возбуждаемой по направлению действия сейсмического воздействия для горизонтальных воздействий и не менее 75 % - для вертикального воздействия, согласно п. 5.27 [2].

Рис. 4. Результаты расчета и экспертизы БМК (критический фактор Kmax)

Аналогичные действия проводим со вторым блоком и мачтой дымовой трубы (рис. 5).

32

Рис. 5. Расчетная схема и результаты расчета и экспертизы БМК и мачты дымовой трубы

Если сумма эффективных модальных масс составляет менее 90% (75%), тогда можно увеличить количество учитываемых собственных колебаний, до тех пор, пока число не перестанет расти. Далее увеличивать количество учитываемых собственных колебаний не следует, так как это может породить «паразитные» собственные формы (колебания отдельных конструкций - как самых слабых элементов в системе), что приведет к неверным результатам.

На основе полученных данных можно начинать конструировать каркасы БМК и мачту дымовой трубы (рис. 6) и расставлять оборудование котельной (рис.7). Создание каркасов и мачты было сделано с помощью Autodesk Inventor — системы трёхмерного твердотельного и поверхностного параметрического проектирования.

Данные трехмерные модели отправляются на производство. Каркасы изготавливаются преимущественно с помощью сварки. Затем с помощью мостовых кранов БМК отгружают на автомобильный транспорт, который отправляется к месту установки БМК на уже подготовленный фундамент. Среднее время для монтажа каркаса котельной составляет 3-6 часов, а для полного ввода в эксплуатацию – несколько дней.

33

Литература

1.СП 20.13330.2016 «Нагрузки и воздействия»

2.СП 14.13330.2018 «Строительство в сейсмических районах»

3.Производство котельных и котельного оборудования от котельного завода – Атриум [Электронный ресурс]: [сайт]. – Режим доступа: http://atriumnn.com/

О.А. Дмитриева, М.А. Новикова, Д.А. Тарасова

ФГБОУ ВО «Нижегородский государственный архитектурно-строительный университет»

СВАРНЫЕ ПОДКРАНОВЫЕ БАЛКИ – ПРОБЛЕМЫ РАСЧЕТА И ПРИЧИНЫ РАЗРУШЕНИЯ

Современная промышленность зачастую нуждается в надежных грузоподъемных механизмах большой мощности.

Чтобы обеспечить мобильность крана используют подкрановые балки. Их укладывают по колоннам производственных зданий.

Подкрановые балки чаще всего представляют собой массивную двутавровую сварную конструкцию. В этих балках присутствуют поперечные ребра жесткости для восприятия локальных напряжений, чтобы обеспечить устойчивость конструкции. Подкрановые балки воспринимают крановую нагрузку и передают ее на основание. Помимо продольной силы, крановая нагрузка создает значительный изгибающий момент в колонне. [1]

Различают разрезные и неразрезные подкрановые балки. Эта особенность учитывается при расчете на прочность и жесткость.

Подкрановые балки отличаются от обычных изгибаемых массивных конструкций тем, что они способны воспринимать динамические нагрузки, которые изменяются во времени.

При конструировании подкрановых балок важно учитывать наличие в них не только вертикальных, но и горизонтальных нагрузок; многократность их приложения; подвижный динамический характер воздействий, повышенный уровень местных напряжений.

Из-за разгона и торможения мостового крана в сечении подкрановой балки возникают внецентренные продольные внутренние усилия. Из-за смещения кранового рельса в сечении балки возникает крутящий момент.

Подкрановые балки работают с переменным или знакопеременным циклом напряжений, что способствует проявлению усталости материала. Необходимо обеспечить надежность верхней части балки, т.к. подвижная сосредоточенная нагрузка действует последовательно по всей длине балки.

34

Из-за рывков и ударов под действием динамической нагрузки конструкция расшатывается.

В ряде цехов черной металлургии, оборудованных кранами с тяжелым режимом работы, встречаются случаи преждевременного выхода из строя подкрановых балок. Так в стенах подкрановых балок появляются трещины. Наиболее распространенный вид повреждения подкрановых балок – возникновение продольных трещин в сварных швах верхнего пояса и в прилегающих к ним участках (фото 1). [2]

Фото 1. Продольные трещины в сварном шве, соединяющем верхний пояс и стенку сварной подкрановой балки, установленной в цеху выксунского

металлургического завода

При расчетах подкрановых балок принимают схему, согласно которой к головке рельса прикладывается вертикальное давление катка крана Р и боковая сила Т (рис 2). [1] Измерение действительных величин показывает, что эти силы могут значительно отличаться от расчетных значений.

Рис.2. Расчетная схема подкрановых балок. Передача крановых усилий с колеса на рельс и с балки на колонну

а — принимаемая по расчету; б — действительная; 1 — колонна; 2 — подкрановая балка; 3 — соединительная планка; 4 — диафрагма; 5 — подкрановый рельс; 6 — колесо крана

35

Важно отметить, что крепление кранового рельса невозможно осуществить по всей длине. Крановый рельс крепится к верхней полке балки с помощью болтов с определенным шагом. В промежутках между болтами не всегда обеспечивается плотное прилегание конструкций. Тем не менее, во время расчета передача усилий на балку принимается по длине рельса.

Из-за неточностей изготовления и монтажа возникают неучтенные при расчете внутренние силы, которые могут привести к разрушению подкрановой балки. При расчете принимается, что линии действия внешних нагрузок, воспринимаемых балкой, совпадают с вертикальной геометрической осью ее поперечного сечения. Случайные эксцентриситеты, возникающие при монтаже как самой балки, так и подкранового рельса, не должны превышать 15 мм. Тем не менее, по данным многочисленных обследований, эти эксцентриситеты нередко достигают 40-45мм. Так в реальной конструкции появляются значительные крутящие моменты на верхней полке и в балке в целом, вызванные отклонениями, что приводит к увеличению касательных напряжений. [2]

При возникновении кручения верхней полки возникают значительные напряжения в сварном шве соединения верхнего пояса и стенки. В результате циклического действия подобных нагрузок в этом шве появляются макроскопические трещины, причиной образования которых является раскрытие микротрещин и дефектов материала.

Для обеспечения устойчивости стенок подкрановых балок при проектировании предусматривается установка ребер жесткости. Ребро жесткости является концентратором напряжений, причем значения локальных напряжений могут превосходить значения расчетных сопротивлений материала. Это может привести к преждевременному образованию и раскрытию трещин в металле. При переезде кранового колеса над ребром жесткости в сечениях верхней полки возникает значительный скачок нормальных напряжений. При многократном повторении подобного нагружения, это может приводить к раскрытию трещин и выходу подкрановой балки из строя. [3]

Анализ действительной работы подкрановых балок показывает, что главными причинами, вызывающими преждевременные повреждения подкрановых балок и снижение их долговечности, являются недостаточная изученность силовых воздействий от крановых нагрузок и несоответствие расчетных схем реальным конструкциям.

Литература

1.СП 16.13330.2017 "Стальные конструкции. Актуализированная редакция СНиП II-23-81*" (с Поправкой, с Изменением N 1).

2.Возможные причины образования усталостных трещин в зоне верхних поясных швов стальных подкрановых балок. Аветян Д.А., Хазов П.А.В сборнике: Современные концепции научных исследований.

36

Материалы IV Международной научно-практической конференции. Нижегородский филиал МИИТ; Под редакцией Н.В. Пшениснова. 2015. С.

245-246.

3. Определение остаточного ресурса подкраново-подстропильной фермы с учетом накопления повреждений в реальных условиях эксплуатации. Никитина Е.А., Хазов П.А., Бриккель Д.М. Приволжский научный журнал. 2018. № 1 (45). С. 9-14.

В.А. Рабынина

ФГБОУ ВО «Нижегородский государственный архитектурно-строительный университет»

ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ДЕРЕВЯННЫХ КОНСТРУКЦИЙ В СТРОИТЕЛЬСТВЕ

Из всех строительных материалов у древесины самая многовековая история. Еще первобытные люди строили из деревянных стволов примитивные жилища, небольшие мосты и ограды. Первоочередность древесины в истории строительства обусловлена ее распространенностью и простотой обработки. С развитием науки происходило и развитие строительства из древесины.

Деревянные конструкции имеют массу достоинств по сравнению с другими видами строительных конструкций.

Быстрое строительство. В среднем на возведение дома из бруса уходит 3-6 месяцев. Если строить жилье из другого материала, понадобится больше времени. Такое быстрое строительство становится возможным благодаря минимальной усадке деревянных домов. Брус – практичный материал. Из него можно строить в любое время года. Строительство даже можно проводить зимой. Благодаря минимальной усадке работы ведутся беспрерывно [2].

Появление таких инструментов, как информационное моделирование BIM, виртуальная/дополнительная реальность, а также 3D печать постепенно стирают грань между процессами проектирования и строительства, которые до недавнего времени являлись достаточно изолированными процессами. Например, в проекте Tallwood House, разработанном Acton Ostry Architects и Hermann Kaufmann Architekten и реализованном в Ванкувере в 2016 году, архитектура, конструктивная и инженерные части были тесно связаны с подрядчиками, консультантами и поставщиками материалов посредством BIM-технологии CadMakers. Вследствие этого здание высотой 18 этажей удалось возвести всего за 70 дней [3], это представлено на рисунках 1 и 2.

37

Рис. 1, 2. Гибридная масса и бетонная основная структура

Так же эффективность и скорость строительства из сборных конструкций значительно повысилась после появления так называемой массивной древесины, наиболее распространенными типами которой являются:

•перекрестно-ламинированная древесина (CLT);

•клееный брус (Glulam);

•ламинированная древесина на гвоздях (NLT);

•дюбельная ламинированная древесина (DLT);

•композит «дерево-бетон» (TCC);

•панели из клееного шпона LVL [3], [4].

Конструкции массивной древесины представлены на рис. 3.

Рисунок 3- а) перекрестно-ламинированная древесина (CLT); б) клееный брус (Glulam); в) ламинированная древесина на гвоздях (NLT); г) дюбельная ламинированная древесина (DLT)

Эстетичность деревянных конструкций. Только на первый взгляд кажется, что деревянные постройки остались в далеком прошлом. Сегодня они переживают свое второе рождение. Деревянные дома занимают

38

почетное место среди лидеров в современном стиле. Они имеют безупречный вид за счет отсутствия сучков и неровности фактуры [2].

Разнообразие проектов. Брус смело можно назвать универсальным материалом. Из него представляется возможным построить конструкции любой сложности. Экстерьерное и интерьерное решение зависит только от фантазии и пожеланий владельцев [2].

Новые технологии и системы заменяют традиционную работу плотников, их инструменты и процессы инновационным оборудованием и методами сборки. Например, для обработки деревянных балок широко применяются станки с ЧПУ, которые управляются программами и позволяют резать, фрезеровать и гравировать куски дерева с высокой точностью по заданной модели. Затем вырезанные детали могут быть более эффективно соединены анкерными и крепежными системами [2], это представлено на фото 4.

Фото 4. Деревянная клееная деталь

Экологическая чистота. Дерево – это экологически чистый материал. Оно не способно нанести вред здоровью человека [2].

Долговечность деревянных конструкций [1]. Современные здания и сооружения из бруса впечатляют сроком эксплуатации. Брус сам по себе прочный материал. Он устойчив к гниению, поражению грибками и насекомыми [2].

Древесина благодаря наличию у нее многочисленных преимуществ нашла широкое применение в современном строительстве. Она одинаково успешно применяется как при возведении сооружений наподобие каркасных или бревенчатых домов, так и при создании отдельных элементов в виде лестниц или перекрытий.

Литература

39