FUNDAMENTY POD MASZYNY

Transkrypt

1 FUNDAMENTY POD MASZYNY I-1

2 1. WSTĘP FUNDAMENTY BLOKOWE FUNDAMENTY RAMOWE MATERIAŁY KONSTRUKCYJNE DO BUDOWY FUNDAMENTÓW POD MASZYNY I WIBROIZOLACYJNE FUNDAMENTY ŻELBETOWE I-2

3 1. WSTĘP Świadome obliczanie i projektowanie fundamentów pod maszyny rozpoczęto około 90 lat temu. Przed I Wojną Światową zagadnienie to jeszcze bardzo upraszczano, przyjmując do obliczeń obciążenie maszynami zwiększone współczynnikiem o wartościach od 2 do 4. W niektórych przypadkach było to postępowanie nieekonomiczne. W innych zaś mogło prowadzić bo awarii maszyny. Istotny postęp w obliczaniu fundamentów pod maszyny odnieśli badacze niemieccy: Kayser, Trocha i Rauch, którzy pod koniec lat dwudziestych ubiegłego wieku zaczęli podawać w prasie technicznej metody obliczenia i projektowania fundamentów pod maszyny. Opublikowali je w latach czterdziestych w trzytomowym dziele p.t. Fundamenty pod maszyny i inne dynamiczne zadania budowlane. Głoszona przez Raucha teoria opierała się na tzw. metodzie rezonansu, oceniającej pracę fundamentu z punktu widzenia występowania lub niewystępowania zjawiska rezonansu. Metoda ta była powszechnie stosowana do połowy ubiegłego stulecia, kiedy to wprowadzono do użycia metodę dopuszczalnych amplitud opracowaną przez Makariczewa i Sawinowa. Polega ona na ocenie pracy fundamentu pod kątem dopuszczalności lub niedopuszczalności występujących w nim wielkości amplitud drgań rzeczywistych. Na metodzie amplitud opiera się PN-80/B Fundamenty i konstrukcje wsporcze pod maszyny. Obliczenia i projektowanie. Polskim wkładem myśli technicznej w tej dziedzinie jest opracowany w latach pięćdziesiątych sposób projektowania fundamentów blokowych pod maszyny tłokowe i obrotowe oraz młoty. Pracujące maszyny wywołują drgania, które przenoszą się na fundamenty, na grunt budowlany, a dalej na ściany, stropy i dach budynku w którym są zainstalowane, a także do budynków sąsiednich, znajdujących się nieraz nawet w większej odległości. Wśród gruntów najlepiej przenoszą drgania skały twarde oraz nawodnione grunty luźne (kurzawka). Natomiast najlepsze tłumienie drgań dają średnio zwarte piaski i gliny w stanie suchym lub mało wilgotnym. Dobre posadowienie maszyny na fundamencie nie może całkowicie wyeliminować drgań występujących w obiekcie a jedynie prowadzi do ich zmniejszenia w takim stopniu aby nie były szkodliwe. Szkodliwość drgań może się przejawiać w następujący sposób: I-3

4 spowodować uszkodzenie, a czasem nawet zniszczenie budynków i fundamentów maszyny, utrudnić lub uniemożliwić pracę maszyny oraz wykonywanie różnych czynności w silnie drgających pomieszczeniach, wywoływać warunki szkodliwe dla zdrowia człowieka przebywającego w drgającym pomieszczeniu. Fundamenty pod maszyny podlegają: zmiennym w czasie obciążeniom dynamicznym, pochodzącym od ruchomych części pracującej maszyny oraz obciążeniom statycznym od części nieruchomych. Do prawidłowego zaprojektowania fundamentu pod maszynę, czyli właściwego dobrania jego kształtu, wielkości, nośności, wibroizolacji i posadowienia konieczna jest znajomość obciążeń wypadkowych zarówno obciążeń statycznych jak i dynamicznych sił bezwładności, wraz z ich wartościami, zmiennością w czasie, miejscami przyłożenia oraz możliwymi kierunkami działania i oddziaływania na konstrukcję. Oczywistym więc staje się jak bardzo prymitywnym i błędnym było przyjmowanie obciążeń fundamentów w wielkości zwielokrotnionych ciężarów całych maszyn. Mimo tego, że dzisiejsze metody obliczeń starają się uwzględnić jak najwięcej czynników wpływających na oszczędne i bezpieczne projektowanie fundamentów pod maszyny, otrzymane wyniki obliczeń nie są ścisłe. Wynika to z: różnic między układami rzeczywistymi a przyjętymi do obliczeń, bądź wskutek uproszczeń konstrukcyjnych i matematycznych, bądź niejednorodności materiału, nieznajomości dokładnego współczynnika sprężystości (dla obciążeń dynamicznych zależnego od naprężeń czego jeszcze nie potrafimy uwzględnić w obliczeniach). Dlatego też dobrze zaprojektowany fundament pod maszynę powinien: zapewnić odpowiednie i pewne oparcie maszyny, bezpiecznie przekazać na grunt wszystkie obciążenia statyczne i dynamiczne, tak tłumić i amortyzować przekazane na fundament drgania i uderzenia aby ich działanie nie naruszało stateczności układu oraz wytrzymałości tworzywa i aby nie były szkodliwe dla pracy maszyn i otoczenia oraz człowieka. W tym celu fundamenty pod maszyny należy konstruować tak, aby ich: drgania własne wystarczająco różniły się od drgań wzbudzonych przez maszynę, amplitudy drgań były mniejsze od dopuszczalnych, I-4

5 fundamenty i konstrukcja były odpowiednio zdylatowane od reszty budowli. Ze względu na charakter konstrukcji fundamenty pod maszyny dzielimy na: fundamenty blokowe, fundamenty ramowe. Inne rodzaje fundamentów zaliczamy do jednej z wymienionych grup; np. fundamenty skrzynkowe do grupy blokowych, a fundamenty ścianowe do ramowych. 2. FUNDAMENTY BLOKOWE Fundamenty blokowe mają postać masywnej bryły, mniej lub bardziej regularnego kształtu. Mogą się w niej znajdować wycięcia wgłębienia lub otwory dla mocowania maszyny lub prowadzenia przewodów. Są najczęściej stosowanymi fundamentami pod maszyny. Odmianą fundamentów blokowych są fundamenty skrzynkowe otwarte lub zamknięte. Zasadniczą cechą fundamentów blokowych jest duża sztywność, pozwalająca je uważać za ustroje nieodkształcalne, posadowione sprężyście. Fundamenty blokowe stosuje się pod maszyny tłokowe, kompresory, silniki elektryczne, wentylatory, pompy, młoty matrycowe, sprężarkowe i swobodnego kucia. Rys.1. Fundament blokowy pod maszynę I-5

6 Rys.2. Fundament skrzynkowy pod maszynę 3. FUNDAMENTY RAMOWE Fundamenty ramowe składają się z masywnej płyty dolnej na której są ustawione 3, 4 a czasem nawet więcej ram poprzecznych usztywnionych między sobą belkami podłużnymi oraz górną płytą fundamentu. Rygle ram poprzecznych wraz z belkami podłużnymi i górną płytą są podstawą do której przytwierdza się maszyny, a w przestrzeni międzysłupowej umieszcza się przewody i urządzenia instalacyjne. Płyta dolna o grubości dobranej tak, aby zapewnić odpowiednią sztywność i nieodkształcalność całej konstrukcji fundamentu ma również za zadanie stworzyć warunki pełnego utwierdzenia słupów części ramowej. W fundamentach ramowych zdolność wykonywania drgań jest wynikiem sprężystości samego ustroju a poza tym i sprężystości podłoża, na którym posadowiono dolną płytę fundamentu. Fundamenty ramowe stosuje się najczęściej pod maszyny obrotowe dające mniejsze siły bezwładności niż maszyny tłokowe. Są to więc fundamenty pod turbozespoły, turbosprężarki, turbodmuchawy, przetwornice itp. ich wysokość może dochodzić do 20m I-6

7 Rys.3. Fundament ramowy pod maszynę W zależności od działania ustawionych na nich maszyn fundamenty dzielimy na: fundamenty pod maszyny o działaniu udarowym; maszyny takie oddziałują na fundament pojedynczymi impulsami lub seriami impulsów, występujących zwykle dowolnie w czasie, jak np. młoty, kafary, fundamenty pod maszyny obrotowe, których dynamiczne oddziaływanie na fundament wywołują siły odśrodkowe części wirujących, takich jak turbiny i generatory elektryczne, maszyny elektryczne, wentylatory, pompy odśrodkowe, fundamenty pod maszyny o układzie korbowym; dynamiczne oddziaływanie na fundament takich maszyn jest wywoływane ruchem postępowo zwrotnym niektórych części maszyny, dającym harmonicznie zmienne siły masowe, występujące w jednym lub w dwóch wzajemnie do siebie prostopadłych kierunkach, np. silniki spalinowe, maszyny tłokowe, duże strugarki, fundamenty pod maszyny typu kruszarek, których dynamiczne oddziaływanie na fundament jest wywołane ruchami łamiących lub kruszących elementów takich maszyn jak łamacze, gniotowniki, kruszarki kamienia, fundamenty pod urządzenia walcownicze, których dynamiczne oddziaływanie na fundament może być różne, w zależności od rodzaju maszyn; walce, zespoły przekładni, silniki napędowe, reduktory, piły, nożyce itp., fundamenty pod duże obrabiarki do metali, które mogą oddziaływać dynamicznie na fundament w różny sposób zależnie od rodzaju pracy; są to tokarki, frezarki, strugarki, szlifierki itp I-7

8 Ze względu na wielkość maszyny dzielimy na: małe; o ciężarze całkowitym do 30kN, średnie; o ciężarze całkowitym od 30kN do 100kN, duże; o ciężarze całkowitym ponad 100kN. Ze względu na intensywność sił wzbudzających maszyny dzielimy na: spokojne, w których amplituda sił wzbudzających (bezwładności, odśrodkowych itp.) nie przekracza 1/10 ciężaru maszyny, niespokojne, wszystkie pozostałe maszyny. Rozróżnia się cztery dynamiczne kategorie maszyn: kategoria I; dynamiczność maszyny mała, wielkość normalnej siły bezwładności (wzbudzającej) do 0,1kN np. obrabiarki do metali, tokarki do drewna, maszyny przędzalnicze, kategoria II; dynamiczność maszyny średnia, wielkość normalnej siły bezwładności od 0,1kN do 1,0kN; np. strugarki poprzeczne, tarcze szlifierskie, pompy tłokowe o małej mocy, kategoria III; dynamiczność maszyny duża, wielkość normalnej siły bezwładności od 1,0kN do 3,0kN; warsztaty tkackie, maszyny typograficzne, pompy tłokowe średniej mocy, kategoria IV; dynamiczność maszyny bardzo duża, wielkość normalnej siły bezwładności powyżej 3,0kN; kruszarki, stoły wibracyjne, pompy tłokowe o dużej mocy. Ze względu na prędkość ruchu rozróżnia się trzy grupy maszyn: grupa 1; prędkość ruchu maszyny mała ilość drgań wzbudzających (liczba obrotów) maszyny na 1 min. n m 500, - grupa 2; prędkość ruchu maszyny średnia 500 < nm 1500, - grupa 3; prędkość ruchu maszyny duża n m > Wskutek powodowania drgań maszyny nie tylko mogą być szkodliwe dla otoczenia, ale także ich praca może być zakłócona lub uniemożliwiona jeśli posadowienie nie zabezpieczy im odpowiednich warunków pracy. Dlatego wyróżnia się pięć klas wrażliwości maszyn lub sprzętu na drganie podłoża: I-8

9 - klasa I; bardzo wrażliwe, graniczna prędkość drgań harmonicznych podłoża υ = 0,1mm / p s, szczególnie dokładne maszyny i urządzenia, np. mikroskopy, elektroniczne maszyny i urządzenia do regulacji przyrządów optycznych, - klasa II; średnio wrażliwe, υ = 1,0mm / p s np.: szlifierki do łożysk kulkowych, precyzyjne tokarki z tolerancją do kilkudziesięciu mikronów, - klasa III; mało wrażliwe υ = 3,0mm / p s : tokarki zwykłej klasy dokładności, maszyny włókiennicze, maszyny typograficzne, - klasa IV; prawie niewrażliwe υ = 6,0mm / p s np. silniki, maszyny do szycia, - klasa V; zupełnie niewrażliwe υ > 6,0mm / p s np.: wentylatory, kruszarki, stoły wibracyjne, młoty. Ze względu na znaczenie wyróżnia się cztery klasy maszyn: - klasa I; znaczenie bardzo duże o zasięgu dla całego kraju, - klasa II; znaczenie duże o zasięgu dla gałęzi przemysłu, - klasa III; znaczenie średnie o zasięgu dla zakładu produkcyjnego, - klasa IV; znaczenie małe o zasięgu dla wydziału zakładu. Jak z tego wynika maszyny dzielimy na grupy, klasy i kategorie w zależności od wielkości, sposobu i częstotliwości wywołujących ich pracę obciążeń dynamicznych. Jeżeli obciążenia te są niewielkie w porównaniu z ciężarem maszyny, to ich oddziaływanie na konstrukcję podpierającą ( fundament maszyny ) można pominąć a samą konstrukcję obliczyć tylko na obciążenie statyczne maszyny spokojne. W przeciwnym wypadku należy uwzględnić oddziaływanie dynamiczne. Przeprowadzenie ścisłego podziału maszyn na spokojne i niespokojne jest trudne i ocenę tego rodzaju powinien przeprowadzić inżynier mechanik o odpowiedniej specjalności. 4. MATERIAŁY KONSTRUKCYJNE DO BUDOWY FUNDAMENTÓW POD MASZYNY I WIBROIZOLACYJNE Fundamenty pod maszyny wymagają zastosowania dobrych materiałów i wykonawstwa na odpowiednio wysokim poziomie. Uzasadnieniem jest dynamiczne obciążenie fundamentu, wywołujące w nim zmienne naprężenia w krótkich odstępach czasu. mamy więc do czynienia z dokładnie jeszcze nie zbadanym zmęczeniem betonu zbrojonego, koncentrację szkodliwych naprężeń w miejscach osłabionych, trwałością materiału i jego odpornością na działanie otaczającego środowiska. Poza tym wartość zainstalowanej na fundamencie I-9

10 maszyny jest średnio około 20-krotnie większa od kosztu fundamentu. Obecnie fundamenty pod maszyny wykonuje się głównie z betonu zbrojonego. Betonu nie zbrojonego używa się jedynie do fundamentów pod małe, spokojne maszyny, przy czym dla zabezpieczenia przed rysami skurczonymi (mogącymi stanowić zaczątek dalszych szkodliwych uszkodzeń) stosuje się konstrukcyjne zbrojenie powierzchniowe w postaci siatki o oczkach mm z prętów Φ8-16mm. Stal profilową stosuje się w wyjątkowych przypadkach do fundamentów ramowych pod mniejsze maszyny. Niedopuszczalnym jest stosowanie dynamicznych stalowych konstrukcji nośnych, ponieważ oddziaływanie dynamiczne powoduje oddzielenie się sprężystej stali od betonu i szybkie zniszczenie fundamentu. Także fundamenty murowane z cegły lub kamienia należy uznać za rozwiązanie przestarzałe w odniesieniu do maszyn i dzisiaj nie uzasadnione. 5. FUNDAMENTY ŻELBETOWE Do ich wykonania należy stosować beton klasy od C20/25 (dla nieudarowych maszyn o niewielkiej dynamiczności) do??? (dla turbozespołów wysokiej mocy). Często, ważniejszym od uzyskania wysokiej wytrzymałości jest doprowadzenie do jednolitych cech betonów całej części fundamentów. Przy obliczaniu amplitud drgań wymuszonych i częstości drgań własnych w konstrukcjach żelbetowych przyjmuje się współczynnik sprężystości wg PN-EN 1992 jak dla betonu ściskanego, nie uwzględniając wpływu zbrojenia. W rezultacie daje to niewielkie obniżenie częstości obliczonych drgań własnych w porównaniu z częstością rzeczywistą. Zbrojenie fundamentów pod maszyny ma nie tylko przenosić naprężenie rozciągające ale chronić beton przed powstawaniem rys skurczowych. Rysy te niegroźne w konstrukcjach obciążonych statycznie w fundamentach pod maszyny mogą istotnie zmieniać sztywność i bezwładność układu. W związku z tym stosuje się zwykle dużą ilość zbrojenia konstrukcyjnego, w którym występuje nieznaczne naprężenie. Dlatego też do tej pory wystarczające było stosowanie stali zbrojeniowej klas: A-0 (ST0S-b) i A-I (St3SX-b, St3SY-b, St3S-b) jako tańszych, a obecnie całe zbrojenie wykonuje się ze stali klasy C, np.: B500SP I-10