3.4 Оценка напряженно-деформированного состояния фундаментных конструкций при разработке тэо реконструкции технологического комплекса Иноземцев в.К., Редков в.И., Иноземцева о.В.

(СГТУ им. Гагарина Ю.А., г. Саратов, РФ)

Приводятся результаты численного исследования напряженно-дефор-мированного состояния фундаментных конструкций стекловаренной печи. С использованием программных комплексов построены геометрические модели, расчетные схемы и выполнен анализ НДС различных вариантов конструктивного решения несущего каркаса и основания фундаментов. Результаты исследований реализованы при разработке технико-экономического обоснования реконструкции технологического комплекса по производству стекла.

This publication gives the results of numerical calculation of the stress-strain state of foundation constructions for glassmaking furnace. Geometric and calculation models are built on the base of software-complexes and the analysis of the stress-strain state for various schemes of constructive framework and fundamental bases is given. Research results are implemented in reconstruction of the glassmaking complex.

Поиск рациональных решений, обеспечивающих необходимый уровень надежности и качества сооружений при минималь­но возможных затратах на их устройство, является концептуальной стра­тегией современного проектирования не только нового строительства, но и реконструкции существующих объектов. Высокое качество проектных решений и успешная их реализация находятся в прямой зависимости не только от правильного учета данных о технологических особенностях сооружения, но и адекватного отражения особенно­стей взаимодействия фундаментных конструкций, грунтового основания и надземной части сооружения.

Основная задача при проектировании фундаментов и грунтового основания – све­дение к минимуму влияния отрицательных эффектов, связанных с нерав­номерными осадками зданий и инженерных сооружений. Особенно актуальна данная проблема в условиях реконструкции сложных технологических комплексов в составе промышленных предприятий, где известные ограничения предельных деформаций для зданий в значительной степени определяются требованиями технологического процесса, а строительные конструкции и основания фундаментов подвергаются интенсивным воздействиям техногенного характера [1].

Примером сложного технологического комплекса является стекловаренная печь крупного производственного предприятия по выпуску стекла в г. Саратове. Существующая стекловаренная печь ЛТФ-6 расположена в одноэтажном промышленном здании каркасного типа пролетом 36 м с железобетонными колоннами и стальными фермами [2]. За отметку 0.000 принята отметка пола 1-го этажа. Ванна печи варочного отделения находится на отметке +6.000 м. Высота до низа ферм покрытия здания +14.400 и +15.798 м. Фундаменты каркаса здания – отдельные из монолитного железобетона под сборные железобетонные колонны, отметка подошвы фундаментов –4.100.

Фундаментами под опоры печи и регенераторы служат монолитные фундаментные плиты толщиной 600 мм, разделенные осадочными швами. Верх существующих фундаментных плит находится на отм. –3.500, подошва плиты на отм. –4.100. Фундаментные плиты под печь и регенераторы должны выполняться из специального жаропрочного бетона с добавками крупного и мелкого шамотного заполнителя.

Общее конструктивное решение новой печи ЛТФ-6 производительностью 650 т/сутки и регенератов показано на рисунке 1. Габаритная схема печи ЛТФ-6 в пределах варочной части характеризуется следующими размерами и отметками:

• Ванна варочной части печи на отм. +6.000.

• Верхняя отметка конструкций печи +13.040.

• Отметка верха существующей фундаментной плиты –3.500.

• Отметка верха новой фундаментной плиты –2.900.

• расстояние от стен регенераторов до разбивочных осей здания 2,61 м.

Рисунок 1- Вариант 1: Плитные фундаменты толщиной 1.2 м под печь и регенераторы

(отм. низа плит – 4.100). Существующие фундаменты демонтируются

Рисунок 2- Вариант 2: Плитные фундаменты толщиной 0.9 м под печь и регенераторы

(отм. низа плит – 9.800). Существующие фундаменты демонтируются

Эксплуатации стекловаренных печей и регенераторов сопровождается постоянным и интенсивным воздействием высоких технологических температур (порядка 300-350С) на водонасыщенные глины. Нагрев грунтов идет от боровов, расположенных на фундаментных плитах под ванной печи, регенераторов и газоотводных каналов. Результатом такого техногенного воздействия являются дополнительные деформации основания и фундаментов печи, а также регенераторов, развивающиеся вследствие усадки водонасыщенных глинистых грунтов при их высыхании.

Рисунок 3- Вариант 3: Свайно-плитные фундаменты под печь и регенераторы.

Существующие фундаменты не демонтируются

С учетом высотной привязки подошвы фундаментной плиты печи ЛТФ-6 несущими являются среднесжимаемые глинистые грунты полутвердой и тугопластичной консистенции аптского яруса нижнемеловой системы [3]. Коренные глины относятся к набухающим грунтам и при воздействии высоких технологических температур могут проявлять усадочные свойства. В пределах территории распространен единый водоносный горизонт. Уровень подземных вод находится на глубине 2,3-3,0 м от поверхности.

По данным технического задания [2] общий вес стекловаренной печи ЛТФ-6 производительностью 650 т/сутки составляет 11805 т. Анализ действующих нагрузок от печи ЛТФ-6 свидетельствует о достаточно сложном характере нагружения фундаментных конструкций и грунтового основания, что даже при условии однородного основания создает объективные условия для неравномерных деформаций грунтового основания и надземных конструкций печи. Степень неравномерности в сложившихся условиях определяется комплексом факторов, основными из которых являются:

• Нерегулярный характер расположения опорных столбов по плану плиты;

• Неравномерный уровень нагружения опорных столбов в пределах плиты Пм1;

• Природная или сформировавшаяся в процессе строительства и эксплуатации неоднородность грунтового основания.

На основании совместного рассмотрения инженерно-геологических условий, объемно-планировочных и конструктивных решений новой печи ЛТФ-6, анализа результатов расчетов напряженно-деформированного состояния фундаментных конструкций и опыта эксплуатации печей ЛТФ-1, ЛТФ-2 были предложены три варианта фундаментных конструкций (рисунки 1-3) [2].

Для определения основных проектных параметров фундаментных конструкций печи ЛТФ-6 в конкретных инженерно-геологических условиях выполнен значительный объем численных расчетов [2]. Построение геометрических моделей и расчеты для оценки напряженно-деформированного состояния несущих конструкций печи ЛТФ-6 выполнены с использованием программных комплексов МОНОМАХ и ЛИРА.

Расчеты железобетонной плиты Пм1 выполнены как плитного элемента прямоугольной формы в плане, свободно лежащего на основании при следующих основных параметрах:

• Ширина плиты 16800 мм; длина 43460 мм; толщина 900 мм.

• Класс бетона В20; удельный вес бетона 24,5 кН/м³; коэффициент Пуассона бетона плиты – 0,2; начальный модуль упругости 2,7*10⁷ кН/м²;

• Класс арматуры A-III;

Рисунок 4 - Пространственная модель варочной части печи ЛТФ-6

Коэффициент постели основания для расчета фундаментной плиты приближенно определен исходя из равенства осадок, полученных по теории линейно-деформируемого полупространства и гипотезе Винклера. С учетом результатов расчетов осадки основания, загруженного равномерно-распределен-ной нагрузкой, в расчетах принят коэффициент постели, равный 1107,6 кН/м³. На рисунке 4 представлена пространственная модель варочной части печи ЛТФ-6, сформированная в подпрограмме КОМПОНОВКА.

Рисунок 5 - Изополя вертикальных перемещений фундаментной плиты Пм1

Рисунок 6 - Изополя изгибающих моментов. M_{x max} = 486 кНм; M_{x min} = - 279 кНм.

Рисунок 7 - Изополя изгибающих моментов. M_{y max} = 224 кНм; M_{y min} = - 215 кНм

Рисунок 8 - Изополя крутящих моментов. M_{xy max} = 52 кНм; M_{xy min} = -53,6 кНм

Рисунок 9 - Основные объемы работ и затраты материалов по вариантам реконструкции № 1-3

Расчеты фундаментной плиты Пм1 выполнены методом конечных элементов (МКЭ) использованием программного комплекса МОНОМАХ и представлены в виде изополей перемещений, изгибающих, крутящих моментов и поперечных сил. Отдельные результаты приведены на рисунках 5-8.

Результаты расчета [2] показывают, что плитный фундамент варочной части печи испытывает сложные деформации изгиба и кручения. Распределение изгибающих и крутящих моментов по плану фундаментной плиты Пм1 также имеет сложный характер. Максимальные и минимальные значения вертикальных перемещений плиты (осадки) составляют W_ma =119,9 мм; W_min=104,3 мм.

Для условий эксплуатации фундаментной плиты толщиной 0,9 м без влияния повышенной температуры прочность плиты по нормальным сечениям на наиболее нагруженных участках используется практически полностью. Для условий эксплуатации фундаментной плиты, когда возможен прогрев плиты до температуры 350⁰С, прочность плиты по нормальным сечениям на наиболее нагруженных участках недостаточна (превышение, например, по изгибающему моменту M_x достигает 82%, а по M_y 53%).

Получены также данные о характере и количественных показателях армирования фундаментной плиты, необходимые для оценки технико-экономических показателей вариантов основания и фундаментов реконструируемого технологического комплекса [2]. Основные объемы работ и затраты основных материалов по вариантам № 1-3 отражены на рисунке 9.

Заключение

1. Использование программных комплексов МОНОМАХ и ЛИРА позволило на стадии технико-экономического обоснования реконструкции инженерного сооружения выполнить значительный объем численных расчетов и оценку НДС основных несущих конструкций.

2. Результаты численных расчетов показывают, что фундаментная плита варочной части печи испытывает значительные деформации изгиба и кручения. Распределение изгибающих и крутящих моментов по плану фундаментной плиты Пм1 имеет сложный характер, который необходимо учитывать при проектировании.

3. С учетом выполненных расчетов фундаментных конструкций определен перечень необходимых проектно-изыскательских, строительно-монтажных работ по реализации предложенных вариантов фундаментов печи ЛТФ-6, а также ориентировочные объемы работ и расхода основных материалов, необходимые для разработки ТЭО инвестиций для реконструкции технологического комплекса по производству стекла.

Литература

1. Иноземцев В.К. Математическая модель деформирования геомассивов применительно к деформационным процессам в основаниях сооружений /В.К. Иноземцев, В.И. Редков. Саратов: Сарат. гос. техн. ун-т, 2005. – 412с.

2. Технический отчет. Эскизные варианты фундаментных конструкций в геотехнических условиях площадки печи ЛТФ-6 в осях В-Л, 16-31 ОАО «Саратовстройстекло» / НППЦ «Стройкомплекс» СГТУ. Саратов. – 63 с.

3. Технический отчет по материалам инженерно-геологических изысканий на площадке производства № 40. ДАР/ВОДГЕО, Саратов, 2006. – 43 с.