AWARYJNE PRZECIĄśENIA PŁASZCZY I LEJÓW W SILOSACH Z BLACHY FALISTEJ

Transkrypt

1 EUGENIUSZ HOTAŁA, KAMIL PAWŁOWSKI, Politechnika Wrocławska AWARYJNE PRZECIĄśENIA PŁASZCZY I LEJÓW W SILOSACH Z BLACHY FALISTEJ FAILURE OVERLOAD OF SHELLS AND HOPPERS IN SILOS WITH CORRUGATED SHEETS Streszczenie W stalowych silosach o płaszczach z blach falistych coraz częściej rezygnuje się z uŝebrowania tych płaszczy na całej ich wysokości lub stosuje się jedynie krótkie Ŝebra nad słupami podporowymi. Cylindryczne powłoki płaszczy silosów z blach falistych bez południkowych Ŝeber mają znacznie większą podatność w kierunku południkowym niŝ identyczne powłoki z blach gładkich. Własne badania eksperymentalne i numeryczne nieuŝebrowanych silosów z blach falistych w skali naturalnej wykazały, Ŝe pionowe obciąŝenia ich lejów są znacznie większe od normowych. Prawie w kaŝdym przypadku proces awarii silosów z blach falistych rozpoczyna się właśnie od oberwania leja. Badania eksperymentalne wykazały równieŝ wyraźnie większe od normowych wartości poziomych parć na ściany nieuŝebrowanych płaszczy z blach falistych w chwili rozpoczęcia opróŝniania silosu. Uwzględnienie w praktyce przedstawionych wyników badań moŝe się przyczynić do zwiększenia bezpieczeństwa eksploatacji silosów z blach falistych. Abstract In steel silos with shells made of corrugated sheets the short ribs over the columns are often used instead of long ribs placed throughout the entire height of the shell. The cylindrical shells from corrugated sheets without meridian ribs are more flexible in the meridian direction from those made of smooth plates. Our experimental and numerical studies on full-scale not ribbed corrugated silos have shown that the vertical action of the hoppers are essentially greater from the standard one. Almost in every case the failure of corrugated silos is initiated by the hoppers detachment. The experimental investigations have also shown that the horizontal pressure on corrugated ribbed silos shells during discharging is significantly higher from the standard one. Considering this effect in practice can help in increase the safety of operation of silos with corrugated sheets.. 1. Wprowadzenie W przemyśle, szczególnie rolno-spoŝywczym, stosuje się od wielu lat silosy o cylindrycznych płaszczach z cienkiej blachy falistej. Płaszcze tych silosów są na ogół Ŝebrowane południkowo na całej wysokości lub w części dolnej (rys. 1a). Wiele z takich silosów stalowych jest eksploatowanych w stanie zagroŝenia awaryjnego, o czym nie wiedzą ich uŝytkownicy. W wielu doszło do powaŝnych awarii i katastrof budowlanych (rys. 2), w których z reguły ginęli ludzie [1], [2], [3], [4]. Przyczyny tego niekorzystnego stanu, dotyczącego wielu stalowych silosów z blachy falistej, są złoŝone a ich eliminowanie nie jest łatwe, gdyŝ ciągle nie są one dobrze rozpoznane. W ostatnich latach stosuje się dość często silosy z blach falistych, których płaszcze nie mają praktycznie południkowego uŝebrowania (rys. 1b). W takich konstrukcjach podatność płaszczy w kierunku południkowym jest wielokrotnie większa od południkowej podatności

2 794 Hotała E. i inni: Awaryjne przeciąŝenia płaszczy i lejów w silosach z blachy falistej podobnych płaszczy z Ŝebrami południkowymi lub płaszczy z blach płaskich. W skrajnym przypadku bardzo wiotkich płaszczy (np. płaszcz z tkaniny, worek itp.) nie przenoszą one Ŝadnych południkowych obciąŝeń, a parcie materiału sypkiego pv na płaskie lub stoŝkowe dno jest parciem hydrostatycznym, czyli znacznie większym niŝ parcie pv wg normy [5]. Wartości parć w silosach, polecane w normie [5], ustalone zostały na podstawie eksperymentalnych badań silosów o płaszczach cylindrycznych, sztywnych w kierunku południkowym. PrzeciąŜenia płaskich den w nieuŝebrowanych silosach z blachy falistej wykazane zostały nielicznych w badaniach eksperymentalnych i numerycznych [6], [7]. W niniejszym referacie przedstawiono podstawowe wyniki własnych badań eksperymentalnych silosów o uŝebrowanych i nieuŝebrowanych płaszczach z blach falistych z lejami stoŝkowymi. Przedstawiono realne zagroŝenia bezpieczeństwa lejów i nieuŝebrowanych płaszczy z blach falistych, jeśli obciąŝenia takich silosów wyznaczane są na podstawie normy PN-EN :2008 [5], nie uwzględniającej ich specyfiki konstrukcyjnej. a) b) Rys. 1. UŜebrowane do połowy (a) oraz za pomocą krótkich Ŝeber (b) silosy stalowe o cylindrycznych płaszczach z blach falistych [2] 2. Wybrane przykłady katastrof silosów o płaszczach z blach falistych Większość awarii i katastrof stalowych silosów z blach falistych rozpoczyna się od oberwania stoŝkowego leja (rys. 2), po czym wysypujący się gwałtownie materiał sypki (najczęściej zboŝe) wywołuje duŝe, krótkotrwałe podciśnienie pod dachem takiego silosu, powodując zniszczenie dachu, a nawet płaszcza. Obrywanie się lejów występuje bardzo rzadko w silosach z blach gładkich. Tak więc, oprócz róŝnych przyczyn konstrukcyjnych i eksploatacyjnych takich awarii, jedną z nich moŝe być przeciąŝenia lejów silosów, wywołane znacznie większą podatnością południkową płaszczy z blach falistych w stosunku do podatności płaszczy z blach gładkich [6]. Prowadzone badania obciąŝeń płaszczy i płaskich den silosów z blachy falistej [6], [7], [8] wykazują, Ŝe wypadkowe pionowe obciąŝenia Fw nieuŝebrowanych płaszczy w takich silosach są znacznie mniejsze niŝ to się przyjmuje w projektowaniu, korzystając z normy [5]. W takim przypadku płaskie dna tych badanych silosów przejmują większą od normowej [5] wartość pionowego obciąŝenia Fb,

3 Konstrukcje stalowe 795 pochodzącą od G materiału sypkiego, zgromadzonego w silosie. Wypadkowe obciąŝenie południkowe (pionowe) płaszcza F w moŝna wyznaczyć z zaleŝności (1), a wypadkowe pionowe obciąŝenie dna F b z zaleŝności (2): F w = k G, (1) F b = (1 - k) G, (2) gdzie k (rys. 3) jest współczynnikiem rozdziału obciąŝeń w silosie, wyznaczonym doświadczalnie, numerycznie lub na podstawie normy [5]. W przypadku stoŝkowych lejów równieŝ dochodzi do ich pionowych przeciąŝeń, co wynika z własnych badań eksperymentalnych, przedstawionych w rozdziale 3. Te przeciąŝenia są jedną z głównych przyczyn obrywania się lejów w silosach z blach falistych (rys. 2). Rys. 2. Przykłady awarii silosów z blach falistych, które rozpoczęły się od oberwania leja [1], [2] 3. Badania eksperymentalne obciąŝeń silosów z blach falistych Autorzy wykonali serię badań eksperymentalnych obciąŝeń silosów o płaszczach z uŝebrowanych i nieuŝebrowanych blach falistych ze stoŝkowymi lejami (rys. 4a). Wykonano równieŝ badania wpływu materiału wypełniającego silos na południkową sztywność płaszczy z blach falistych (rys. 4b). Silosy miały średnicę płaszcza d c = 1800 mm, blachy faliste płaszcza miały grubość t = 1 mm, wysokość fali a = 12 mm i długość fali h = 78 mm (rys. 3). Wpływ zmiany grubości płaszcza t oraz wysokości fali a w badanym silosie na wartość współczynnika rozdziału obciąŝeń k przedstawiono w [7], a współczynnik ten wyznaczono numerycznie przy pomocy programu Plaxis (rys. 3). Badania dotyczyły płaszczy z blach falistych bez południkowego uŝebrowania. Silos wypełniony był pszenicą o module spręŝystości E = 2,8 MPa. Średnica silosu wynosiła D = d c = 1,80 m, a wysokość jego płaszcza z = h c = 4,50 m.

4 796 Hotała E. i inni: Awaryjne przeciąŝenia płaszczy i lejów w silosach z blachy falistej Rys. 3. Wpływ grubości t blachy i wysokości fali a na wartość współczynnika k wg [7] (h = 78 mm) a) b) Rys. 4. Badane silosy w skali naturalnej (a) oraz stanowisko do badania sztywności płaszczy (b)

5 Konstrukcje stalowe 797 Rys. 5. Schemat pionowego obciąŝenia F b i G L lejów w badanych silosach Pionowe obciąŝenie lejów w badanych silosach (rys. 5) składało się z obciąŝenia G L od materiału wypełniającego lej (pszenica) oraz z obciąŝenia F b, pochodzącego od oddziaływania materiału zgromadzonego wewnątrz cylindrycznego płaszcza powyŝej leja. ObciąŜenie F b wyznaczyć moŝna ze wzoru (2). Kąt pochylenia leja w kaŝdym przypadku wynosił α = Konstrukcje lejów oparte były na 3 niezaleŝnych słupach, pod którymi zamontowane były siłomierze do bezpośredniego pomiaru sumarycznego obciąŝenia pionowego lejów F b + G L. NiezaleŜne oparcie na 3 słupach miały równieŝ płaszcze silosów z blach falistych, pod którymi umieszczone były siłomierze do bezpośredniego pomiaru południkowego obciąŝenia płaszczy F w. 1,00 0,90 0,80 Badania Eksp./ bez Ŝeber Badania Eksp./ Ŝebra PN-EN 1-k 0,70 0,60 0,50 0,40 0,30 1,0 1,2 1,4 1,6 1,8 2,0 2,2 2,4 2,6 2,8 3,0 h b /d c Rys. 6. Wartości współczynnika (1-k) z badań eksperymentalnych dla płaszcza z blach falistych bez Ŝeber i tego samego płaszcza z Ŝebrami oraz wartości (1-k) obliczone wg PN-EN [5]

6 798 Hotała E. i inni: Awaryjne przeciąŝenia płaszczy i lejów w silosach z blachy falistej Podczas badań eksperymentalnych silosów o płaszczach z blach falistych (rys. 4a) stosowano uŝebrowanie na całej wysokości płaszcza x = h c = 4,5 m, na wysokości x = 0,5h c, na wysokości x = 0,25h c lub nie stosowano Ŝadnego południkowego uŝebrowania. Wyniki badań pokazują wyraźnie (rys. 6), Ŝe wartość obciąŝenie pionowe leja F b, reprezentowanego we wzorze (2) przez współczynnik (1-k), jest znacznie większa w silosach z blach falistych, niŝ to wynika z uregulowań normy [5]. Wartość przeciąŝenia leja siła F b w badanych silosach wynosiła nawet ok. 50% w nieuŝebrowanych płaszczach i ok. 30% w silosach uŝebrowanych na całej wysokości płaszcza. Norma [5] nie uwzględnia niestety wpływu podatności południkowej cylindrycznych płaszczy na wartości obciąŝeń den (lejów) i płaszczy silosów. Z tego faktu mogą wyniknąć bardzo groźne konsekwencje dla bezpieczeństwa nieuŝebrowanych silosów z blach falistych. Własne badania eksperymentalne wykazały bowiem wyraźnie, Ŝe w silosach o płaszczach z blach falistych moŝe dochodzić do znacznych pionowych przeciąŝeń lejów (rys. 6), co moŝe skutkować ich obrywaniem i powaŝnymi katastrofami budowlanymi (rys. 2). Jeśli zwiększa się sumaryczne pionowe obciąŝenie leja F b to zmniejsza się jednocześnie sumaryczne pionowe obciąŝenie płaszcza F w, co uwzględnione jest we wzorach (1) i (2). To mniejsze obciąŝenie F w w stosunku do obciąŝenia wg normy [5] nie ma zasadniczego znaczenia dla nośności płaszcza z blach falistych. Podczas badań eksperymentalnych mierzono pośrednio wartości poziomych parć p h na uŝebrowane i nieuŝebrowane płaszcze silosów, wykorzystując w tym celu tensometry elektrooporowe. Pomiarów dokonywano w dwóch poziomach dolnej części płaszczy silosów w 3 punktach obwodu. Stwierdzono, Ŝe w uŝebrowanych płaszcza parcia poziome przy napełnianiu p hf oraz przy opróŝnianiu p he nie przekraczały wartości normowych [5], co pokazano na rys. 7. z/h c 0,00 0,10 0,20 0,30 0,40 0,50 0,60 0,70 0,80 0,90 1,00 phf wg PN-EN phe wg PN-EN phf wg badań - napełnianie phe wg badań - opróŝnianie 0,0 1,0 2,0 3,0 4,0 5,0 6,0 7,0 8,0 9,0 p h [kpa] Rys. 7. Wartości parć poziomych p h w silosie o smukłości h b /d c = 1,5 o uŝebrowanym płaszczu na całej wysokości obliczone wg PN-EN [5] oraz pomierzone podczas badań eksperymentalnych Badania częściowo uŝebrowanego płaszcza do wysokości x = 0,625d c pokazały, Ŝe w niektórych stanach eksploatacyjnych na samym początku opróŝniania silosu moŝe dochodzić do ok. 30% przekroczenia wartości parć bocznych p he (rys. 8) w stosunku do wartości uzyskanych wg normy [5]. Jeszcze większe, bo ok. 90% przekroczenia wartości normowych parć p he (rys. 9), stwierdzono podczas badań nieuŝebrowanego płaszcza silosu z blach falistych, stwierdzając przy tym duŝą nierównomierność tych parć na jego obwodzie.

7 Konstrukcje stalowe 799 z/h c 0,00 0,10 0,20 0,30 0,40 0,50 0,60 0,70 0,80 0,90 1,00 phf wg PN-EN phe wg PN-EN phf wg badań - napełnianie phe wg badań - opróŝnianie 0,0 1,0 2,0 3,0 4,0 5,0 6,0 7,0 8,0 9,0 p h [kpa] Rys. 8. Wartości parć poziomych p h w silosie o smukłości h b /d c = 1,5 o uŝebrowanym płaszczu do wysokości x = 0,625d c wg PN-EN [5] oraz pomierzone podczas badań eksperymentalnych z/h c 0,00 0,10 0,20 0,30 0,40 0,50 0,60 0,70 0,80 0,90 1,00 phf wg PN-EN phe wg PN-EN phf wg badań - napełnianie phe wg badań - opróŝnianie 0,0 1,0 2,0 3,0 4,0 5,0 6,0 7,0 8,0 9,0 p h [kpa] Rys. 9. Wartości parć poziomych p h w silosie o smukłości h b /d c = 1,5 o nieuŝebrowanym płaszczu z blach falistych wg PN-EN [5] oraz pomierzone podczas badań eksperymentalnych Uzyskane wyniki badań są niepokojące, gdyŝ wskazują na moŝliwości wystąpienia znacznych przeciąŝeń nieuŝebrowanych lub częściowo uŝebrowanych płaszczy z blach falistych podczas opróŝniania silosów. Najsłabszymi elementami takich cylindrycznych płaszczy są pionowe styki śrubowe arkuszy blach, a zbyt duŝe siły obwodowe w tych stykach cienkich blach mogą prowadzić do nagłego lub stopniowego procesu uszkodzenia tych śrubowych połączeń. Owalizacja otworów pod śruby w pionowych stykach falistych blach płaszczy o typowej grubości t = 1,0 1,5 mm jest dość często spotykana. Badania wskazały na jedną z głównych jej przyczyn, którą są duŝe wartości parć poziomych p he na płaszcz silosu, znacznie większe niŝ to wynika z normy [5].

8 800 Hotała E. i inni: Awaryjne przeciąŝenia płaszczy i lejów w silosach z blachy falistej 4. Uwagi końcowe Cylindryczne silosy stalowe z blach falistych naleŝą do tych konstrukcji, w których występują dość często róŝne awarie i katastrofy [1]. [2], [3], 4]. Awaria takiego silosu rozpoczyna się najczęściej od oberwania się leja (rys. 2), co wynikać m.in. moŝe z jego przeciąŝenia. W pracy przedstawiono wyniki eksperymentalnych badań obciąŝeń F b stoŝkowych lejów silosów o płaszczach z blach falistych, które wyraźnie wskazują na to, Ŝe wartości tych obciąŝeń mogą być znacznie większe niŝ przyjmowane w projektowaniu na podstawie normy [5]. Zagadnienia te były juŝ częściowo sygnalizowane w pracach [7] i [8]. Wyniki badań eksperymentalnych pokazują, Ŝe w dolnych częściach nieuŝebrowanych lub tylko częściowo uŝebrowanych cylindrycznych płaszczy silosów mogą występować znacznie większe niŝ normowe [5] parcia poziome p he na samym początku procesu opróŝniania silosu. Obwodowe siły rozciągające w płaszczu silosu, wywołane tym zwiększonym obciąŝeniem poziomym, mogą spowodować uszkodzenie lub zniszczenie połączeń śrubowych arkuszy falistych blach płaszcza. Objawy uszkodzeń pionowych połączeń śrubowych arkuszy falistych blach płaszczy są widoczne w wielu długo eksploatowanych silosach. Niezbędne są dalsze badania obciąŝeń róŝnych konstrukcji silosów z blach falistych i wprowadzenie takich regulacji w normie [5], które uwzględnią wpływ podatności południkowej płaszczy na rozkład obciąŝeń w komorach silosów. Autorzy referatu prowadzą takie badania, a ich wyniki mogą się przyczynić do podniesienia bezpieczeństwa konstrukcji silosów. Podatność południkową płaszczy silosów z blach falistych moŝna w niektórych przypadkach wykorzystać jako korzystną cechę eksploatacyjną, co przedstawiono w pracy [7]. Literatura 1. Hotała E.: Awaryjność silosów z blachy falistej. Materiały Budowlane, Nr 2/ Hotała E.: Remonty i wzmacnianie silosów metalowych. Naprawy i wzmocnienia konstrukcji budowlanych, XXIII Ogólnopolska Konferencja Warsztat Pracy Projektanta Konstrukcji, Szczyrk, 5-8 marca 2008, T. 1, s Pasternak H., Bodarski Z., Hotała E.: Steel Silos Education by Analysing Failures. Journal of Constructional Steel Research, Vol. 46, pp. 340, Pasternak H., Hotała E., Vayas I.: Schäden an Stahlsilos weitere Bepispiele. Bauingenieur 2002, Bd 77, Nr 3, s PN-EN :2008 Oddziaływania na konstrukcje. Część 4: Silosy i zbiorniki. 6. Hotała E., Zambrowicz M.: ObciąŜenia płaszczy i lejów w silosach z blachy falistej, Aktualne problemy naukowo-badawcze budownictwa. Olsztyn 2006, s Hotała E., Zambrowicz M.: Problemy składowania wybranych rodzajów biomasy w silosach z blachy falistej. Przegląd Budowlany, nr 5/2010, s Molenda M., Horabik J., Thompson S. A., Ross I. J.: Grain loads on smooth and corrugated-wall model silos. Zeszyty Naukowe Akademii Rolniczej we Wrocławiu, Nr 419/2001.