1. Введение
Важной особенностью капитальных вложений (инвестиций) в производство является то обстоятельство, что если владельцами объекта не принято принципиальное решение о ликвидации и полном демонтаже существующего производственного объекта вместе с оборудованием, инфраструктурой и капитальными сооружениями, то из существующих действующих производств пытаются «выжать» максимум.
Если производство функционирует, то в процессе эксплуатации постоянном режиме идут работы по текущему и капитальному ремонту, по техническому перевооружению и модернизации, реконструкции существующих сооружений и оборудования.
В изначальном проекте крайне сложно предусмотреть весь комплекс требований, который возникнет в процессе эксплуатации. Идет развитие технологий, появляются новые материалы и изделия из них, меняются со временем технико-экономические требования к продукции предприятия, может увеличиваться или уменьшаться потребная мощность производства, может возникнуть необходимость в освоении новых продуктов, востребованных на рынке.
Как следствие, возникает необходимость в модернизации оборудования, добавления новых узлов и участков в производственном цикле промышленного предприятия.
Поэтому, вполне естественно, когда вопросы технического перевооружения и модернизации касаются относительно новых сооружений, чей физический ресурс далеко не исчерпан.
2. Возникшая задача
На одном из действующих производств был запланирован ввод в строй нового участка: помимо уже построенной и введенной в строй эстакады по наливу аммиака в железнодорожные цистерны, потребовалась еще и эстакада по его наливу в автомобильный транспорт (в данном случае имеются в виду специализированные платформы по наливу продукта в транспортные цистерны на железнодорожном или автомобильном шасси).
Для прокладки новых трасс трубопроводов собрались использовать уже существующую трубно-кабельную эстакаду с устройством дополнительных траверс под опоры монтируемых труб.
Наши коллеги, проектирующие техническое перевооружение существующего производства, подошли к вопросу ответственно. Помимо непосредственно технологической части, были выполнены проектные работы по техническому обследованию и анализу существующих конструкций.
Был выполнен расчет существующей эстакады с учетом существующей и добавленной нагрузки.
Результат оказался внезапно парадоксальным: основные несущие конструкции в виде вертикальных ветвей (стоек) плоских решетчатых опор, несущие фермы пролетных строений по расчету прошли. Но потребовалось усиление горизонтальных и вертикальных связей и фундамента анкерной опоры. То есть не основных конструкций.
Эта ситуация вызвала вопросы со стороны Заказчика: зачем усиливать явно второстепенные элементы на отстоявшей уже более пяти лет конструкции, работа которой не вызывала нареканий в процессе эксплуатации. В итоге, к нам обратились к нам за консультацией, с целью уточнить, насколько оправданы предложения со стороны проектной организации.
По результатам расчета, наши коллеги предложили усилить следующие группы конструкций: существующие ветровые связи по нижним и верхним поясам пролетных строений, вертикальные связи плоских рядовых вертикальных опор, вертикальные связи анкерной опоры и ее фундамент.
3. Краткая справка о кабельно-трубных эстакадах.
Для того, чтобы рассматриваемый вопрос был более понятен не искушенному читателю, необходимо дать немного пояснений, что такое кабельно-трубные эстакады в промышленном производстве, как выглядят, работают и зачем они нужны. Это специальный вопрос в проектировании промышленных предприятий и даже строительные инженеры, далекие от этой области, имеют право его не знать.
Эстакады относятся к так называемому межцеховому транспорту (коммуникациям). Отдельные цеха и площадки внутри большого промышленного объекта необходимо связывать системой трубопроводов и кабельных трасс. В городской (жилой) застройке для повышения обитаемости и архитектурной эстетики коммуникации закапывают под землю.
В промышленном строительстве из-за соображений ремонтной пригодности и безопасности коммуникации должны быть «на виду». Доступность для постоянного визуального контроля повышает уровень безопасности производственного процесса, позволяет вовремя обнаружить дефекты коммуникаций, обнаружить и быстро локализовать аварийный участок. Под землей это сделать гораздо сложнее. Для реализации такого подхода была придумана система этаких «сухопутных мостов», позволяющих прокладывать коммуникации по воздуху, но так, чтобы они не мешали эксплуатации. Проезд транспорта, проход персонала под ними должен быть беспрепятственным и не мешать работе.
По металлическим опорам устанавливаются пролетные строения из двух параллельных друг другу ферм, между которым по верхнему и нижнему поясу ставятся ветровые связи и прокладывается пешеходный мостик для доступа к трубопроводам и кабельным трассам.
Это так называемая проходная кабельно-трубная эстакада.
Есть вариант непроходных эстакад, чаще всего это кабельные. Тут обслуживание идет с земли с помощью вышек, поэтому обходятся без проходных мостиков.
4. Анализ предложений от проектировщиков
4.1 Усиление анкерной опоры
Что побудило выдвинуть предложение об усилении анкерной опоры существующей эстакады. Дело в том, что в процессе работы трубопроводы оказывают на опорные конструкции двоякое воздействие: помимо передачи собственного веса со своим содержимым (вертикальная нагрузка), есть еще и горизонтальные воздействия, связанные с перепадами температур и движением самой жидкости внутри самой трубы. Современные программные комплексы позволяют достоверно решить эту задачу. И по схеме работы эстакады как цельной конструкции, эти усилия концентрируются как раз в зоне анкерной опоры, она воспринимает эти воздействия и передает эти усилия в свою очередь на фундамент, а он уже на грунт основания.
Расчет с учетом горизонтальные нагрузки дал у наших коллег расчетное усилие в опорных раскосах анкерной опоры в районе 12 тс
Что на данном участке оправдывает усиление не только решетки, но и затребованного усиления фундамента анкерной опоры.
Пришлось поставить дополнительные железобетонные обоймы усиления, улучшающие работу существующего фундамента в горизонтальную нагрузку, параллельную его подошве.
4.2 Усиление металлических связей эстакады
По проверочный расчету, произведенному нашими коллегами, потребовалось усиление существующих связей, где уже поставленные металлические профили из уголка предлагается усилить дополнительным уголком
Давайте рассмотрим эту коллизию: зачем потребовалось усиление и попробуем ответить на типичный вопрос: а почему же оно стоит?
Как мы уже сказали, к моменту принятия решения о техническом перевооружении эстакада отработала без замечаний не менее 5 лет и даже после введения дополнительной нагрузки, основные несущие конструкции (фермы пролетных строений и вертикальные стержни (колонны) двух ветвевых не потребовали усиления.
Рассмотрим вопрос усиления вертикальных плоских опор пролетного строения.
Схема существующей опоры по изначальному проекту выглядит следующим образом:
По одному из принятых подходов к расчету решетчатых (сквозных) опор, подобная конструкция рассматривается как вертикальная ферма на стойки и раскосы которой воздействует сумма вертикальных и горизонтальных (чаще всего ветровых) нагрузок
Расчетные сочетание усилий (РСУ) для вертикальной опоры выглядит так.
В элементах решетки есть сжимающие и растягивающие усилия. На левом рисунке суммарное РСУ (где учитывается и составляющая от вертикальной нагрузки в наклонных элементах крестообразных решеток), на правом – усилия только от расчетного воздействия ветра.
То есть максимальное сжимающее усилие от расчетного РСУ составляет порядка 8.3 тс (81.4 кН), а от ветра – 5.6 тс (54.9 кН)
Проверим несущую способность сжатого элемента крестовой решетки вертикальной связи
Что мы видим, расчет на устойчивость от сжимающих усилий в элементах крестообразных связей приводит к выводу о недостаточной несущей способности этих элементов.
Как же эта конструкция работала при таких просчетах? Почему до сих пор не произошло аварии? Дело в том, что нагрузки от ветра еще не создали расчетных усилий, при которых должна произойти потеря устойчивости перегруженных элементов? Не только.
Есть еще скрытые резервы прочности данной конструкции. Когда в крестообразной связи под действием нагрузки выключаются, «провисают» сжатые элементы из-за начинающегося процесса потери устойчивости и начинают работать только растянутые элементы, которые начинают воспринимать всю поперечную нагрузку.
При работе на растяжение «уходит» вопрос устойчивости металлического стержня и растянутый профиль работает только на растяжение по прочности (мы не учитываем коэффициент φ)
То есть на растяжение уголок 100х7 держит максимальное усилие на растяжение в 33,6 тс. А суммарное усилие от растяжения при такой схеме работы, где складываются по модулю значения усилий в растянутом и сжатом элементе крестовой связи, будет в пределах 11.3 тс
5. Выводы
Получается, что конструктивное решение, заложенное в изначальном проекте, не соответствует требованиям действующих норм, но оставляет конструкцию в относительно работоспособном состоянии из-за возможности «ненормативной» работы конструкции. При такой работе конструкции будут увеличиваться деформации эстакады в поперечном горизонтальном направлении от действия ветра, а так как лежащие на эстакаде трубопроводы и кабельные трассы достаточно устойчивы к деформациям, то это обстоятельство и не создавало сложности в эксплуатации.
Справедливости ради отметим, что по действующим нормативам, подобная работа крестообразных связей допускается только в горизонтальных конструкциях покрытий зданий. В вертикальных связях плоских опор мы не только учитываем силу ветра, но часть вертикальной нагрузки, которая переходит на них из-за совместности деформаций всей решетки с вертикальными и наклонными элементами, работающими как единое целое. Так что расчет на «провисание» сжатых угловых элементов приводит опору буквально в состояние «шатающейся табуретки», что достаточно негативно сказывается на надежности работы всей конструкции.
Антон Симонов
Главный конструктор