Наші статті

У чому причина та як усунути руйнування збірних силосних корпусів типу СКС

 

Сьогодні йтиметься про те, що більшість елеваторів зі збірних силосних корпусів типу СКС знаходяться на рубежі 50-річчя. Дуже важливо розуміти, скільки зможуть вони ще прослужити, зараз уже залежить від умов експлуатації. Хотілося б підняти для обговорення цю тему та поділиться своїм досвідом та напрацюваннями у дуже важливому аспекті.

 

Збірні силосні корпуси типу СКС були побудовані з пропареного бетону марки М 300. Застосування пропареного бетону було насамперед зумовлене швидким набором міцності (75% за 24 години) та швидкістю будівництва в СРСР. Однак він більш гігроскопічний, ніж бетон, який твердів у вологих умовах. Внаслідок несприятливого впливу режиму твердіння на структуру знижуються захисні властивості. Процес руйнування бетону внаслідок його гігроскопічності можна істотно уповільнити, створивши на поверхні захисну плівку. Виходить, достатньо відремонтувати та обробити міжсогові шви герметиком, пофарбувати фасад, і силосні корпуси прослужать значно довше, зберігши продукт і при цьому радуючи око всім у радіусі видимості корпусів.

 

Конструкції із залізобетону з часом набирають міцність і, відповідно, твердість, стають крихкими, схильними до тріщиноутворення. Якщо до умов експлуатації елеваторних споруд підходити формально, не дотримуючись Інструкції та положення щодо завантаження та вивантаження корпусів типу СКС, деформації не забаряться.

 

Особливо від цього страждають опорні конструкції підсилосного поверху елеватора — залізобетонні колони та капітелі колон, вирви силосів. З'являються проектні пересипання продукту між силосами по всій висоті силосу. Якщо накласти схему тріщин колон і вирв на карту завантаження із зазначеними пересипаннями, можна побачити причинно-наслідковий зв'язок.

 

Спостерігаючи руйнування цих елементів елеватора типу СКС, починаючи з 2005 року, у 2009 році ми вирішили вивчити ситуацію докладніше. Ми запитали себе: «У чому причина і як усунути ці руйнування?»

 

Оскільки наша компанія виконує в основному лише ремонтні роботи, ми вирішили звернутися за допомогою у розрахунках навантажень та пошуку способу ремонту до фахівців Кафедри Динаміки та міцності машин НТУ «Харківський політехнічний інститут». Провели аналіз причин виникнення тріщин колон капітелів, воронок та були знайдені способи посилення колони К-1 та воронки різними методами та матеріалами — вуглеволокном ⟨...⟩* та епоксидним клеєм strong>⟨...⟩* з застосуванням програмного комплексу інституту в комп'ютерному моделюванні монолітних конструкцій.

 

Хочеться поділитися з вами вирізками з двох наукових праць, виконаних на наше замовлення, завдяки яким з'являється більш «глибоке» розуміння основних причин руйнувань.

 

У звіті №1 «РОЗРАХУНОК ПОСИЛЕННЯ ПОШКОДЖЕНИХ КОЛОН ТИПУ К-1 ПІДСИЛОСНОГО ПОВЕРХУ ЗЕРНОСХОВИНА» максимальні навантаження, що діють на колону К-1 зверху наступні:

- від ваги надсилосної галереї    - Fнсг = 3,8 т;

- від ваги стін силосів                — Fсс =[nbsp ]51,0 т;

- від ваги вирви             [ nbsp]         — Fв = 4 ,4 т;

- від ваги швів                           [ nbsp] - Fш = 1,9 т;

- від ваги колони                         - Fк = 5 ,0 т;

- від ваги снігу                           [ nbsp] -   Fсн = 1,9 т;

- корисна на надсилочний поверх   - Fнсп = 2,5 т;

- від зерна                           [nbsp ]          — Fз = 232,0 т.

 

Разом, максимальне навантаження при повному силосі що діють на колону К-1 зверху  —  Fмах = 302,5т

 

На схемі застосування навантаження (рис.1) верхня поверхня капітелі розбита на 7 ділянок, що відповідають спиранню стін силосів   і 4-х вирв. На всі ділянки прикладено різний тиск для забезпечення реалізації сумарного максимального моменту від вітру та монтажного ексцентриситету.

 

Малюнок 1 – Схема застосування навантаження на капітель колони К-1

 

 

Були розроблені розрахункові схеми серединної колони типу К-1 з тріщинами 2-х видів: малої, по висоті верхньої частини капітелі (вид №1); і великий по всій висоті капітелі (вид №2). Розглянуто такі варіанти навантаження:

1-й варіант - повне завантаження всіх силосів:

випадок 1а — ідеальна рівномірна;

випадок 1б — з урахуванням максимального монтажного ексцентриситету;

випадок 1с — максимальна короткочасна при врахуванні додаткового моменту від вітру;

2-й варіант — випадок 1б і 1 силос порожній (над ділянкою 7);

3-й варіант — випадок 1б і 2 силосу порожні (над ділянкою 6 та 7);

4-й варіант — випадок 1б і 3 силосу порожні (над ділянкою 4,6 та 7);

5-й варіант — випадок 1б і всі силоси порожні.

 

Посилення колони з тріщиною при найгіршому варіанті часткового навантаження — один силос порожній.

 

Характер розподілу переміщень, головних стискаючих напруг та їх максимальні величини до та після посилення не змінюються. Було розглянуто локальний вплив посилення.

 

На рис. 2 наведено розподіл головних стискаючих напруг у верхній частині капітелі, яка піддавалася посиленню, до та після посилення. Рівень максимальної напруги в цій частині не змінився. Відбувся перерозподіл напруг в районі тріщини (це може бути також наслідком впливу клею всередині тріщини). Загалом, навіть при невеликому рівні напруги в цій частині капітелі, посилення по стискаючих напруг практично відсутнє.

 

Малюнок 2 – Головні стискаючі напруги при варіанті 2 (а – до посилення; б – після посилення)

 

 

Для варіанта навантаження 2 значно змінився характер розподілу і величини максимальних розтягуючих напруг після посилення. На рис. 3 наведено розподіл головних напруг, що розтягують, у верхній частині капітелі, яка піддавалася посиленню, до і після посилення. Рівень максимальних напруг у цій частині після посилення впав з 50 кгс/см² до 13,5 кгс/см² і перемістився з гирла тріщини на верхню поверхню капітелі (у тому місце, де був у разі без тріщини). У гирлі тріщини максимальні напруги стали 6 кгс/см 2 , тобто. менше  межі міцності на розтягування.

 

 

Малюнок 3 – Головні розтягувальні напруги при варіанті 2 (а — до посилення; б — після посилення)

 

 

Оскільки це може бути результатом посилення клейовим складом усередині тріщини, то був проведений перевірочний розрахунок для випадку посилення тільки клейовим складом усередині тріщини. Результати розрахунку показали, що характер розподілу основних розтягуючих напруг повністю збігаються з результатами на рис.3б, тобто. зниження напруг досягнуто виключно за рахунок заповнення тріщини клейовим складом. Була проведена перевірка міцності клею та отримано, що клей має значний запас міцності при цих напругах. Звідси випливає, що посилення тканиною ⟨...⟩* на зниження напружень, що розтягують, помітного впливу не надає.

 

Подібний порівняльний аналіз було проведено для двох видів тріщин та всіх схем посилення. Результати аналізу напруги при посиленні показали:

1. Високу ефективність заповнення тріщини складом на основі 2-х компонентного епоксидного клею ⟨...⟩*. Практично знімається концентрація напруги у гирлі тріщини.
2. Посилення капітелі колони К-1 вуглеволокном з матеріалу ⟨...⟩* не дає помітного ефекту і для цієї колони практичного сенсу не має.
3. Посилення вуглеволокном ⟨...⟩* частини капітелі колони К-1 не дає помітного ефекту і для цієї колони практичного сенсу не має.
4. Посилення вуглеволокном ⟨...⟩* усієї капітелі колони К-1 знижує рівень стискаючих напруг на колоні під капітелью (максимальні значення на 25%) і має деякий практичний зміст. Однак рівень напруги в капітелі після посилення все ще перевищує гранично допустиме і питання про доцільність використання вуглеволокна вимагає додаткових досліджень.

 

У звіті №2 «РОЗРОБКА ПРИНЦИПІАЛЬНИХ  СХЕМ  ПОСИЛЕННЯ ДНИЩ ЗЕРНОСХОВИЩ», виконаному кафедрою динаміки та міцності машин НТУ «Харківський політехнічний інститут», наведено тріщинами, заповненими епоксидним клеєм ⟨...⟩* та посиленими металевою смугою за аналогією   з металевим бандажом для капітелі колони. Розрахункову схему днища наведено на рис.4.

 

Малюнок 4– Загальний вид розрахункової схеми днища з розподілом тисків, що діють на конструкцію

 

 

Розглянуто два типи тріщини: 1) по піраміді днища, що утворює, і 2) по куту днища на межі 2-х площин. Тріщини наскрізні із шириною розкриття до 2 мм.

Облік наявності тріщин 2-го типу

 

Далі розглядається конструкція днища силосу, ослаблена чотирма горизонтальними наскрізними тріщинами, розташованими по кутах днища на межі 2-х площин. Тріщини мають форму паралелепіпеда, в основі якого лежить трапеція з висотою 2 мм та основою 553 мм по внутрішній поверхні днища. На рис. 5 наведено кінцево-елементну модель, використану в розрахунках.

 

Малюнок 5. Звичайно-елементна модель днища, ослабленого чотирма горизонтальними тріщинами: а - вид знизу; б - загальний вигляд зверху

в -вид в області тріщини; г - тріщина в розрізі

 

 

Розподіл головних напруг, що розтягують, в конструкції показано на рис. 6. Як видно їх максимальна величина досягається на нижній частині днища в області тріщин (рис. 6 а), істотно перевищує межу міцності бетону на розтяг, порушує критерій міцності і призводить до руйнування бетону в деякій прилеглій області (рис. 6 б ).

 

 

 

Максимальні напруги на малюнках 36 наведені до величини 30 кгс/см² (фактичне середнє значення межі міцності), тому області червоного і сірого кольору відповідають області руйнування бетону. Слід зазначити, що критичні значення напруги проникають по всій глибині тріщини. З нижньої поверхні днища критичні напруги захоплюють область до 80 мм вниз від тріщини і до 50 мм вгору від неї (див. рис. 6 г). Максимальні напруги також зачіпають і верхню поверхню днища з напівеліптичною областю, радіус якої становить близько 2 див.

 

Малюнок 6 - Розподіл напруг у конструкції днища силосу, ослабленого чотирма горизонтальними тріщинами: а - вид знизу; б - укрупнений вид знизу в області тріщини

 

в - вид верхньої поверхні; г -перетин днища, що проходить через тріщину

 

Розподіл напруг в арматурі конструкції показано на рис. 7. Максимальне значення еквівалентних напруг за Мізесом в арматурі зросло в 3 рази в порівнянні з варіантом днища без тріщини, але залишається менше межі плинності (1.6).

 

 

 

 

Малюнок 7 - Розподіл напруг в арматурі конструкції для днища силосу, ослабленого горизонтальними тріщинами: а - фрагмент загального виду арматури та бетону з однією тріщиною; б - вид арматури поблизу тріщини

 

Виходячи з отриманих результатів, можна зробити висновок, що поява горизонтальних наскрізних тріщин, розташованих по кутах днища є одним з найбільш несприятливих факторів для конструкції.

 

Далі розглядається конструкція днища силосу, коли чотири горизонтальні тріщини заповнені клеєм. Звичайно-елементна сітка, що використовується в розрахунках, наведена на рис. 8.

 

Розподіл головних напруг, що розтягують, в конструкції показано на рис. 9. Як видно їх максимальна величина, як і раніше, досягається на нижній частині днища в області тріщини (рис. 9 а), але вона зменшилася більш ніж у 4 рази порівняно з випадком наскрізної тріщини. При цьому має місце перевищення межі міцності бетону на розтяг, хоча зона максимальної напруги в області тріщини незначна (рис. 9 б).

 

 

 

Слід зазначити, що критичні значення напруги проникають не по всій глибині тріщини, як це було у варіанті без клею, а на глибину 2,5 см. З нижньої поверхні днища критичні напруги захоплюють область аж до 5 см вниз від тріщини і до 2,5 см нагору від неї (див. рис. 9 г).

 

Розподіл напруг в арматурі конструкції показано на рис. 10. Максимальне значення еквівалентної напруги за Мізесом в арматурі зменшилося в 3 рази порівняно з варіантом днища з наскрізною тріщиною і залишається менше межі плинності майже в 10 разів.

 

 

Отримані результати свідчать про ефективність використання клею.

 

 

Малюнок 9. Розподіл напруг у конструкції днища силосу з чотирма горизонтальними тріщинами, залитими клеєм: а – вид знизу; б - укрупнений вид знизу в області тріщини

 

в - вид верхньої поверхні; г - розподіл напруг за товщиною днища

 

Малюнок 10. Розподіл напруг в арматурі конструкції для днища силосу з 4-ма горизонтальними тріщинами, заповненими клеєм: а - фрагмент загального виду з максимальним значенням напруги; б – вид арматури разом із бетоном поблизу тріщини

 

Розглянуто конструкцію з двома тріщинами, заповненими епоксидним клеєм ⟨...⟩* та посиленими металевими елементами.

 

Отримано розподіл головних напруг, що розтягують, в конструкції, при посиленні днища металевими смугами Їх максимальна величина при двох варіантах посилення однакова. Вона така сама, як для варіанта днища без посилення і досягається на нижній частині днища. При цьому вона перевершує межу міцності бетону на розтяг і порушує критерій міцності Зона максимальної напруги в області тріщини практично не змінюється.  

 

Підібрані варіанти посилення, що дозволяють продовжити експлуатацію силосів у разі наявності тріщин 1-го типу. Для випадку тріщин 2-го типу необхідно виконати посилення вирви УВ-1 згідно з рекомендаціями Харківського проектного інституту «ПРОМЗЕРНОПРОЕКТ» методом виливки нового залізобетонного днища поверх існуючого.

 

Результати звіту №2 частково опубліковані в [1].

 

На підставі отриманих результатів можна зробити висновок про недоцільність посилення капітелів вуглеволокном   або металевими бандажами, не включеними в роботу на 100% через існування зазору між бетоном і металом, оскільки розрахунковим шляхом встановлено, що мають місце стискаючі навантаження (на кожну колону 302 тонни) з великими ексцентриситетами, за яких такі варіанти посилення не працюють. Цей факт також підтверджується даними роботи [2].

 

Так само у звіті наголошується на тому, що монтаж металевого бандажу на днище є спробою запобігання подальшим тріщинам – але це не усуває причину їх виникнення.

 

Основними причинами виникнення тріщин у конструкціях є:

1. Порушення правил експлуатації силосів – схема завантаження, розвантаження продукції.
2. Руйнування надкапувальних швів або порушення технології при їх створенні (наявність порожнин).

 

Це призводить до зменшення площі контакту днища силосу та капітелів колони, що також підвищує напружений стан та збільшує ймовірність виникнення тріщин воронок, капітелей колон, колон у основі.

 

На сьогодні ця проблематика зустрічається повсюдно на ВСІХ збірних елеваторах колишнього СРСР. Ми проводили обстеження в Україні, Грузії, Казахстані, Росії, Молдові. Пов'язана вона з тим, що йде порушення завантаження та вивантаження продукції з силосів, а це в свою чергу дуже сильно впливає на розподіл навантаження на капітелі колон та кути вирв.

 

Максимальне навантаження діють на колону [nbsp ] зверху   ­ - 302,5 тонни при повному силосі.

 

І найголовніше це повсюдний шлюб будівництва (на той час цьому не було віддано вагомого значення) елеваторів типу СКС пов'язаний з порожнечею надкапувального шва.  

 

З 2010 року зараз нашою компанією було відремонтовано близько 5 000 надкапувальних швів, 1 500 капітелів колон з вертикальними тріщинами, 250 тріснулих воронок, 700 демонтовано металевих бандажів, встановлених ще за СРСР,  – .

 

Хочу зауважити, що ми ділимося інформацією, яка є інтелектуальною власністю компанії ПП «АЛЬП-ПРОМ». Ряд підрядних організацій її собі надають, повністю не розуміючи, що роблять. Використовуючи на свою вигоду та розсуд. При цьому ми зіткнулися з тим, що роботи, які проводилися на двох елеваторах, були виконані так, що краще б їх не виконували взагалі: зовні «муляж» все було «красиво», всередині порожнеча   - але акти були закриті та гроші оплачені.

 

Причина такого «ремонту» — спрага швидко заробити, і при цьому магазин сказав, що цей матеріал вам підходить, і виконуючи роботи не пристосованим для цього виду обладнанням з низьким тиском подачі матеріалу і тд список дуже довгий.

 

І найважливіше — роблячи замовлення на цей вид роботи, Елеватористи повинні розуміти, найголовніше — така операція може проводитися лише один раз!  Переробляти роботи всередині стику або тріщини навіть після їх часткового заповнення неможливо. Прийде робити посилення каркасом з монолітної сорочки на всю висоту колони так як тиск на колону дуже великий. Відповідно, заплативши ТРИ РАЗИ за кожний елемент.

 

Тому це не те місце, де вдасться зекономити, — провести «тендер» для того, щоб знайти та найняти найдешевшого виконавця. Вибирайте насамперед фахівців, які розуміють та мають досвід у цьому виді робіт.

 

Як нам кажуть замовники, на ринку ремонту елеваторів, як і скрізь, можна зіткнутися з різними виконавцями. Деякі використовують у роботі неякісний матеріал, щоб отримати надприбутки. Деякі наймають горе-виконавців, які, не маючи жодного досвіду за спиною, намагаються набити руку, а замовник набиває шишки. Є компанія, яка заявляє, що досвід мають 15 років, а реєстрація була в 2017 році, при цьому використовує наші фотографії на своєму сайті. Порушуючи авторське право компанії ПП "АЛЬП-ПРОМ".

 

Який можна очікувати на результат від несумлінних партнерів, які отримати гарантії, скільки при цьому Ви заощадите? Така економія може дорого коштувати. Гарантію може дати тільки та компанія, яка вже має досвід у виконанні цього виду робіт та може виконати умови гарантійного ремонту. Ім'я коштує дорожче грошей тим більше на аграрному ринку, де всі один одного знають.

 

Нижче надаємо тематичну добірку фотографій, які ми зробили на елеваторах України, і не тільки.

Також хочеться попросити інженерів елеваторів і тих, хто дочитав до кінця - взяти ліхтарик і пройтися підсилосним поверхом - так би мовити, на екскурсію.

 

Ми даємо гарантію на наші роботи щодо посилення конструкцій методом ін'єктування смол та суспензій 10 років. Часто називаємо її ПОЖИТТЄВОЮ — поки що компанія на ринку (оскільки немає жодного гарантійного ремонту за 10 років).

 

Як сказав Ілон Маск — «Поки я живий і працездатний — я відповідаю за те, що виконує моя компанія».

 

Артем Бабенко, генеральний директор «АЛЬП-ПРОМ»

 

* назву матеріалів потрібно уточнювати у автора статті