9_HOTAŁA.pdf

Eugeniusz

HOTAŁA *

STALOWE SILOSY – WYBRANE PODSTAWY OBLICZEŃ

1. Wprowadzenie

Stalowe silosy na róŜnorodne materiały rozdrobnione, w tym na materiały kohezyjne, są

dość często projektowane, realizowane i eksploatowane bez naleŜytej dbałości o poziom

(klasę) niezawodności ich konstrukcji nośnych. Nie do rzadkości naleŜą przypadki kwalifi-

kowania silosów do przechowywania nasion zbóŜ i pasz rolniczych jako urządzeń do susze-

nia tych produktów, a nie jako obiektów budowlanych, do których naleŜy stosować stosow-

ne przepisy budowlane w zakresie ich realizacji i utrzymania. Wiele silosów stalowych w

wytwórniach prefabrykatów Ŝelbetowych, w węzłach betoniarskich oraz w magazynach

pasz jest wzniesionych bez decyzji o pozwoleniu na budowę i jest eksploatowanych bez

wymaganych przeglądów okresowych.

Tymczasem silosy stalowe to bardzo złoŜone powłokowo-prętowe konstrukcje inŜynier-

skie, które dość często ulegają awariom katastrofom [1], [2], [3], [5], [6], [7] w wyniku

których nierzadko ludzie tracą zdrowie lub Ŝycie (rys. 1a), a straty materialne są bardzo

znaczne. Z powyŜszych względów silosy stalowe zostały uznane w normie PN-EN 1993-4-1

(tab. 2.1) [N1] jako obiekty, które dość często zalicza się do najwyŜszej klasy konsekwencji

CC3 lub do nieco niŜszej klasy konsekwencji CC2. NajniŜsza klasa konsekwencji zniszcze-

nia CC1 dotyczy niewielkiej grupy silosów o bardzo małych pojemnościach (ładowno-

ściach) 10 – 100 ton.

* Dr hab. inŜ., prof. PWr, Politechnika Wrocławska

533

Jeśli uwzględni się wymagania podstawowe w zakresie poziomu niezawodności kon-

strukcji, zawarte w normie PN-EN 1990 [N1], to moŜna uznać, Ŝe w konstrukcjach silosów

klasy niezawodności RC1, RC2, RC3 powinny być powiązane z odpowiednimi klasami

konsekwencji CC1, CC2, CC3, z odpowiednimi poziomami nadzoru przy projektowaniu

(DSL1, DSL2, DSL3) oraz z poziomami inspekcji w trakcie ich wykonywania (IL1, IL2,

IL3). Oznacza to między innymi, Ŝe w przypadku bardzo licznej grupy silosów o klasie

konsekwencji CC3 sprawdzanie obliczeń statycznych i rysunków oraz inspekcja w trakcie

ich wykonywania powinny być wykonywane przez stronę trzecią. Do klasy konsekwencji

CC3 zaliczane są np. stosunkowo małe silosy na zboŜe o objętości ponad 250 m 3 , w których

występuje niecentryczne napełnianie lub opróŜnianie oraz silosy na cement o objętości

przekraczającej 630 m 3 podparte na głowicach słupów lub innych podporach punktowych.

a) b)

Rys. 1. Silosy stalowe: a) silos zboŜowy o objętości 187 m 3 po katastrofie

budowlanej w 2011 r., b) silosy dwukomorowe z podwójnymi lejami

W projektowaniu silosów stalowych przyjmuje się, Ŝe wytwarzanie i montaŜ konstrukcji

będą zgodne z normą PN-EN 1090-2, a postanowienia normy projektowania silosów stalo-

wych PN-EN 1993-4-1 uzupełniają, modyfikują lub zastępują odpowiednie postanowienia

podane w normie PN-EN 1993-1. Cześć 4-1 Eurokodu 3 [N9] nie obejmuje m.in. silosów

dzielonych wewnętrznie (rys. 1b) i silosów z dodatkowymi konstrukcjami oraz silosów o

pojemności mniejszej niŜ 100 kN (10 ton).

ObciąŜenia pionowych ścian oraz lejów i płaskich den silosów od materiału wypełniają-

cego (ośrodka sypkiego) ustala się na podstawie normy PN-EN 1991-4 [N9], przy czym w

zawartych w niej regułach obliczeń występują dość istotne ograniczenia geometryczne

kształtów przekrojów poprzecznych silosów, ograniczenia związane z właściwościami

ośrodka sypkiego oraz ograniczenia w zakresie kształtu lejów.

534

Pomimo ww. ograniczeń projektowanie silosów nawet o stosunkowo prostej i osiowo-

symetrycznej geometrii jest na ogół procesem dość złoŜonym i wymagającym Ŝmudnych

analiz. W analizach stateczności i wytrzymałości konstrukcji silosów niezbędne jest stoso-

wanie reguł zawartych w normie PN-EN 1993-1-6 [N8], dotyczącej konstrukcji powłoko-

wych.

W niniejszej pracy zaprezentowano wybrane zagadnienia dotyczące obciąŜeń konstruk-

cji silosów stalowych oraz wybrane zasady projektowania takich silosów, łącznie z anali-

zami wytrzymałości i stateczności ich powłok na podstawie aktualnych wersji Eurokodów.

Wiele dość waŜnych zagadnień przedstawiono jedynie w sposób skrócony, gdyŜ zakres

jedynie trzech głównych norm do projektowania silosów stalowych jest niezwykle obszerny

(ponad 300 stron) i nie sposób go ująć w jednej krótkiej publikacji.

Zagadnienia dotyczące specyficznych oddziaływań oraz wymiarowania nietypowych

konstrukcji silosów stalowych, które nie są przedmiotem aktualnych norm PN-EN, powinny

być rozstrzygane na podstawie dodatkowych opinii eksperta. Biorąc pod uwagę dość ogra-

niczoną liczbę przypadków geometrii i warunków eksploatacji silosów, których dotyczą

reguły obliczeniowe zawarte w aktualnych normach PN-EN 1991-4 [N7], PN-EN 1993-1-6

[N8] i PN-EN 1993-4-1 [N9], korzystanie z opinii ekspertów nie będzie naleŜało do rzadko-

ści.

2. ObciąŜenia konstrukcji silosów stalowych

2.1. Zasady podstawowe

W niniejszym rozdziale przedstawiono podstawowe zasady ustalania wartości i kombi-

nacji oddziaływań na konstrukcje silosów przedstawione w normie PN-EN 1991-4 [N9], a

więc przede wszystkich oddziaływania materiałów rozdrobnionych na ich pionowe ściany,

płaskie dna i stoŜkowe leje. W zakresie ustalania wszystkich rodzajów oddziaływań na

silosy norma ta powinna być uŜywana łącznie z EN 1990 i z innymi częściami EN 1991,

przede wszystkim w odniesieniu do oddziaływań pochodzących od cięŜaru własnego, od-

działywań klimatycznych (wiatr, śnieg) i termicznych, oddziaływań od uderzeń pojazdów

oraz oddziaływań pochodzących od urządzeń i maszyn zamontowanych na konstrukcjach

tych silosów. Zagadnienia te nie są szczegółowo analizowane w niniejszej publikacji.

Zakres normy PN-EN 1991-4 [N9] w odniesieniu do silosów stalowych dotyczy przede

wszystkim oddziaływań związanych z przechowywanymi ośrodkami sypkimi w silosach.

Zawiera jednak równieŜ pewne postanowienia w zakresie oddziaływań pochodzących od

efektów róŜnic temperatur, róŜnic osiadań w bateriach silosów i oddziaływań spowodowa-

nych wybuchem pyłów.

Reguły obliczeniowe przedstawione w PN-EN 1991-4 [N9] mają pewne ograniczenia

geometryczne w zakresie kształtu i wymiarów silosów (rys. 2). Kształty przekroju porzecz-

nego silosu są ograniczone do przekroju kołowego, prostokątnego i sześciokątnego, a ogra-

niczenia wymiarów są następujące (rys. 2a i 2b): h b / d c < 10, h b < 100 m, d c < 60 m. Punkt

przejścia pionowej ściany w lej (3) jest połoŜony w płaskim przekroju poziomym (rys. 2a), a

silos nie jest wyposaŜony w wewnętrzne urządzenia, za wyjątkiem centrycznie usytuowa-

nych rur odciąŜających i ściągów w silosach o przekroju prostokątnym.

W odniesieniu do ośrodka sypkiego magazynowanego w silosie zakłada się, Ŝe maksy-

malna średnica cząstek nie jest większa niŜ 0,03 d c , gdzie d c jest średnicą okręgu wpisanego

w przekrój poprzeczny pionowych ścian komory silosu. W regułach obliczeniowych przyję-

to równieŜ waŜne załoŜenie, Ŝe składowany materiał sypki przepływa swobodnie podczas

535

opróŜniania silosu, a podczas napełniania nie występują obciąŜenia uderzeniowe. Reguły te

dotyczą wyłącznie silosów z lejami stoŜkowymi (tj. osiowo symetrycznymi), ostrosłupo-

wymi na planie kwadratu lub klinowymi. Norma PN-EN 1991-4 [N9] nie dotyczy projekto-

wania silosów z uwzględnieniem odporności na drgania, uderzenia, dudnienia i efektów

muzycznych, gdyŜ zjawiska te nie są do dziś wystarczająco zbadane.

a) b) c)

Rys. 2. Kształty silosu z określeniem wymiarów i oznaczeń parć: a) geometria, b) mimo-

środy napełniania i opróŜniania, c) parcia ( p h , p n , p v ) i napręŜenia styczne ( p w , p t )

W geometrii wypełnionego materiałem sypkim silosu (rys. 2) stosuje się następujące

określenia:

V 1 – płaska powierzchnia zastępcza (stoŜka usypowego) materiału sypkiego w silosie,

V 2 – wymiar wewnętrzny (średnica okręgu wpisanego w poziomy przekrój silosu,

V 3 – punkt przejściowy (przejście ściany pionowej w lej),

V 4 – profile powierzchni (stoŜka usypowego) przy całkowitym napełnieniu silosu,

V 5 – linia środkowa silosu.

Wszystkie reguły w przedstawione w normach PN-EN 1991-4 [N7] i PN-EN 1993-4-1

[N9] dotyczą obliczeń konstrukcji silosu (zbiornika na materiał rozdrobniony) i nie dotyczą

jego konstrukcji wsporczej, której projektowanie jest przedmiotem normy PN-EN 1993-1-1

[N12].

2.2. Klasyfikacja obciąŜeń i sytuacje obliczeniowe

Oddziaływania na silosy naleŜy określać, biorąc pod uwagę konstrukcje samego silosu,

właściwości składowanego ośrodka rozdrobnionego oraz rodzaju przepływu tego ośrodka

podczas procesu opróŜniania. Charakterystyczne wartości oddziaływań, zdefiniowanych w

omawianej normie PN-EN 1991-4 [N7], są uznane za wartości odpowiadające 2 % praw-

dopodobieństwu ich przekroczenia w okresie jednego roku.

536

Symetryczne obciąŜenia w silosie (rys. 2c) wyraŜane są w funkcji parcia poziomego p h

działającego na wewnętrzną powierzchnie pionowej ściany silosu, normalnego parcia p n

działającego na ścianę nachyloną (ścianę leja), tarcia stycznego o ściany p w , i p t oraz parcia

pionowego p v w samym ośrodku sypkim.

Niesymetryczne obciąŜenia na pionową ścianę silosu zaleŜą od wartości mimośrodu na-

pełniania e f oraz mimośrodu opróŜniania e o i wyraŜane są w funkcji miejscowego parcia

poziomego p h i stycznego do ściany parcia p w . Niekorzystne obciąŜenia dodatkowe, wynika-

jące m.in. z niepewności rodzaju przepływu, wpływu mimośrodów otworów nasypowego i

wysypowego na proces napełniania i opróŜniania, uwzględnia się stosując mnoŜniki zwięk-

szające C . W silosach zaliczanych do klasy oceny oddziaływań 1 (tab. 1), obciąŜenia niesy-

metryczne naleŜy zastąpić zwiększoną wartością obciąŜenia symetrycznego za pomocą

mnoŜnika obciąŜenia przy opróŜnianiu C . Taka moŜliwość występuje równieŜ w przypadku

silosów zaliczanych do klasy oceny oddziaływań 2.

ObciąŜenia symetryczne w silosie, a takŜe obciąŜenia niecentryczne przypisane do pro-

cesów niecentrycznego napełniania lub opróŜniania naleŜy klasyfikować jako umiejscowio-

ne oddziaływania zmienne, a więc obciąŜenia o ustalonym rozkładzie i pozycji w stosunku

do ścian silosu. ObciąŜenia lokalne (działające miejscowo) wynikające z procesów napeł-

niania i opróŜniania silosów naleŜy kwalifikować jako nieumiejscowione oddziaływania

zmienne.

Do obciąŜeń wyjątkowych silosu zalicza się obciąŜenia powstałe w wyniku wybuchu py-

łów. Inne obciąŜenia wyjątkowe nie są przedmiotem normy PN-EN 1991-4 [N7]. W przy-

padku obciąŜeń od pojazdów na silosy lub ich konstrukcje wsporcze moŜna więc stosować

reguły zawarte w PN-EN 1991-1-7 [N6], a w przypadku konieczności uwzględniania wpły-

wów sejsmicznych – reguły zawarte w PN-EN 1998-4 [N11]. Obliczeniowe sytuacje poŜa-

rowe uwzględnia się na podstawie PN-EN 1991-1-2 [N2]. Nie są przedmiotem uregulowań

normowych obciąŜenia wyjątkowe, pochodzące od tąpnięć przesklepionych materiałów w

komorach silosów, wywołujące najczęściej znaczne obciąŜenia dynamiczne na leje oraz

podciśnienie w części poddachowej silosu, gdyŜ nie są one jeszcze zbadane w wystarczają-

cym stopniu..

Tablica 1. Zalecana k lasyfikacja oceny oddziaływań na silosy stalowe

Klasa oceny oddziaływań

Opis warunków

Silosy o objętości składowania (ładowności) poniŜej

100 ton (1000 kN)

Klasa oceny oddziaływań 1

Wszystkie silosy omówione w niniejszej normie PN-

EN 1991-4 i nie zaliczane do innej klasy

Klasa oceny oddziaływań 2

Silosy o objętości składowania ponad 10000 ton.

Silosy o objętości składowania ponad 1000 ton, w któ-

rych występuje którakolwiek z następujących sytuacji

obliczeniowych (rys. 2):

Klasa oceny oddziaływań 3

niecentryczne opróŜnianie przy e o / d c > 0,25,

niskie silosy, przy mimośrodzie górnego

stoŜka nasypu e t / d c > 0,25.

Aby moŜna było stosować zróŜnicowane poziomy wymagań obliczeniowych w zaleŜno-

ści od poziomu niezawodności układu konstrukcyjnego i jego podatności na róŜne mechani-

537

Plik z chomika:

Inne pliki z tego folderu:

Inne foldery tego chomika: