Скориков - Реконструкция элеваторных сооружений

Скориков Б, А. и др.

Реконструкция элеваторных сооружений / Б. А. Скориков, В. И. Карев, А. В. Фрейфельд. - М,: А г роп ром из дат, 1988. - 143 с: ил.

Обобщен опыт и изложены основные принципы строительной реконструкции элеваторных сооружений. Описаны методика проведения обследований, предшествующих реконструкции, дефекты сооружений, технические решения по реконструкции.

Предназначена для специалистов, занимающихся эксплуатацией и реконструкцией элеваторных сооружений.

© ВО "Агропромиздат", 1988

ПРЕДИСЛОВИЕ

Реконструкция элеваторных сооружений — это одно из основных направлений технического прогресса. Она позволяет с меньшими затратами материальных и трудовых ресурсов по сравнению с новым строительством добиться расширения и укрепления материально-технической базы. Реконструкция имеет три особенности.

Первая заключается в существенной зависимости объемно-планировочных и технологических решений, при которой замена оборудования и технологических линий приводит, как правило, к значительному изменению существующих строительных конструкций.

Вторая особенность состоит в том, что реконструкция чаще всего касается предприятий, имеющих значительный срок эксплуатации, на протяжении которого накопились те или иные повреждения строительных конструкций, в особенности их элементов, воспринимающих нагрузки от давления сыпучих материалов. Все это требует усиления конструкций даже при отсутствии увеличения нагрузок.

Третья особенность реконструкции заключается в необходимости учета принципиальных изменений некоторых нормативных требований, появившихся после ввода предприятия в эксплуатацию. Это главным образом относится к изменению расчетных нагрузок от давления сыпучих материалов на элементы бункеров, силосов и введению дополнительных требований по обеспечению пожаровзрывобеэопасности предприятий, что существенно влияет на конструктивные и объемно-планировочные решения реконструируемых предприятий.

Отмеченные особенности определяют необходимость выполнения значительных объемов работ по восстановлению и усилению строительных конструкций, изменению планировочных решений. Опыт эксплуатации элеваторных сооружений показывает, что их основные несущие конструкции во многих случаях имеют дефекты и повреждения, препятствующие нормальной эксплуатации, а иногда требуют капитального усиления. Этими факторами часто пренебрегают при установившемся процессе эксплуатации, но при реконструкции они становятся препятствием для ее проведения.

Техническое перевооружение, реконструкция предприятия — это явления не только технические, но и социальные. Запыленность, просып и, завалы зерна рядом с работающим оборудованием, недостаточная освещенность помещений, неудачная планировка производственных и складских помещений и путей эвакуации — все это требует при реконструкции доведения до уровня современных нормативных требований.

Задача реконструкции — повысить производительность труда, увеличить мощность предприятий на существующих производственных площадях, лишь в крайних случаях прибегая к новому строительству {например, при увеличении вместимости хранилищ); модернизировать производство, создать для рабочих здоровые, безопасные условия труда.

ГЛАВА 1. ОСНОВЫ РЕКОНСТРУКЦИИ

§ 1. ОСНОВНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ

При реконструкции элеваторных сооружений возможность и целесообразность использования существующих строительных конструкций является одним из важнейших факторов технико-экономической эффективности намечаемой реконструкции и одной из ее задач.

Степень использования существующих строительных конструкций зависит от характера намечаемой реконструкции и состояния сооружений. Замена существующего технологического оборудования более эффективным, современным оборудованием, как правило, не приводит к существенным изменениям объемно-планировочных решений строительных конструкций, тем более что современное оборудование обычно не увеличивает нагрузки на элементы сооружений.

Изменение схем технологических процессов часто приводит к увеличению высоты сооружений, корректированию инженерных коммуникаций, дорог, а иногда требует сноса некоторых сооружений. Повышение мощности предприятий посредством возведения новых сооружений на действующем предприятии, как правило, мало влияет на существующие сооружения, например увеличение вместимости элеваторов в результате строительства силосных корпусов, возведение дополнительных приемных устройств, сушилок и т. п.

Применяют также смешанные схемы реконструкции, что определяется ее целями и особенностями существующего предприятия — от незначительной замены устаревшего оборудования до полного технического перевооружения, расширения и переориентации производства.

Эксплуатационные качества конструкций восстанавливают, усиливая конструкции, изменяя схемы их работы, заменяя конструкции. Таким образом восстанавливается несущая способность конструкций.

Рассмотрим некоторые термины и определения.

Физический износ. Подразумевается постепенная утрата конструктивными элементами первоначальных технических свойств. Степень физического износа конструкции зависит от свойств ее материала, прочностных и деформационных характеристик, внешних воздействий, условий эксплуатации и т. д.

Моральный износ сооружений. Под ним понимается несоответствие зданий, сооружений их функциональному или технологическому назначению, возникающее под влиянием технического прогресса. Моральный износ часто наступает раньше, чем физический, и во многом определяет необходимость технического перевооружения, реконструкции предприятия, связанной, в свою очередь, с выполнением капитального ремонта, переделкой, усилением его строительных конструкций.

Эксплуатационная надежность. Это пригодность зданий и сооружений к нормальной эксплуатации в течение заданного периода времени, который для элеваторных сооружений принят равным 50 годам. Явления, при которых отдельные конструкции, узлы или в целом сооружения достигают какого-либо предельного состояния, делающего невозможной дальнейшую эксплуатацию, получили название отказов.

Видов отказов очень много: например, небольшие локальные бреши и значительные разрушения стен силосов, протекание атмосферной воды в силосы и сверхнормативные крены рабочих зданий и многое другое. Каждый отказ — это конкретный случай потери эксплуатационной надежности. Они разнообразны по характеру проявления, степени опасности, экономическим последствиям. Суммируя и систематизируя отказы, можно выделить три основных вида эксплуатационной надежности (рис. 1).

Первый вид — нормальная эксплуатация. Характеризуется постепенным естественным износом конструкций сооружения в процессе его длительной эксплуатации в течение всего нормативного периода. За этот срок проводят планово-предупредительные текущие и капитальные ремонты, а снижение эксплуатационной надежности никогда не выходит за пределы, угрожающие нормальной эксплуатации сооружений.

Второй вид — ускоренное нарастание отказов. Процесс потери эксплуатационной надежности при этом в начальном периоде времени мало отличается от нормальной эксплуатации. Однако через несколько лет процесс из постепенного переходит в ускоренно нарастающий. Скорости развития деформаций (трещин в стенах силосов, зон смятия бетона, кренов) стремительно нарастают, и, если в самом начале этого процесса не принять необходимые меры, возможна авария.

Третий вид - внезапный отказ. При этом эксплуатационные качества отдельных конструкций или в целом сооружения резко снижаются вплоть до полного разрушения объекта. Внезапные отказы характерны для случаев хрупкого разрушения, как, например, срез бетона фундамента в заделке подсилосных колонн.

При внезапном отказе возможна частичная стабилизация процесса в течение некоторого промежутка времени, а лишь затем разрушение. Это встречается в статически неопределимых системах при возможном перераспределении в них усилий.

Общеприняты три основные характеристики эксплуатационной надежности: начальная безотказность, долговечность и ремонтопригодность. Существует непосредственная их связь с ремонтами и реконструкцией зданий и сооружении.

Начальная безотказность. Способность конструкций сохранять требуемые эксплуатационные качества в заданный начальный промежуток времени. Границей начального периода эксплуатации служит время полного загружения, проявления осадочных деформаций, включения всех конструктивных элементов в работу и затухания осадок. Очевидно, что особого внимания с точки зрения начальной безотказности заслуживают вновь возводимые сооружения при расширении предприятий, а также близко находящиеся к этим сооружениям существующие здания и сооружения.

Когда при реконструкции не строят новые здания и сооружения, этот показатель эксплуатационной надежности также имеет большое значение. Например, при переделке части несущих конструкций в результате установки нового оборудования, при перепланировке или при надстройке дополнительных этажей происходит включение в работу здания или сооружения новых конструктивных элементов. При этом новые конструкции не должны оказаться перенапряженными и их деформации не должны превзойти допустимых значений, это же не должно произойти с непретерпевшими изменения конструкциями, на работу которых оказывают влияние новые конструктивные элементы.

Начальной безотказности добиваются прежде всего проектными решениями, расчетами прочности и трещи ноет ой кости, обеспечением общей устойчивости сооружений, качеством выполнения строительно-монтажных работ.

Долговечность. Она служит характеристикой эксплуатационной надежности сооружения или отдельных конструкций, которая оценивается продолжительностью их безотказной работы с возможными перерывами для проведения профилактических ремонтов от момента возведения до полной потери эксплуатационных свойств. Этот показатель не всегда может быть полностью обеспечен, за исключением нового строительства. Долговечность нового здания или сооружения зависит от обоснованности методов расчета, полноты и точности инженерно-геологических изысканий, принятых конструктивных решений, качества строительно-монтажных работ и заводского изготовления изделий, воздействия окружающей среды и условий эксплуатации, включая своевременность проведения ремонтов.

Долговечность здания и сооружения после реконструкции определяется этими же факторами. Но особую роль приобретают обоснованность принятых при ее проведении конструктивных решений, методов расчета конструкций и качество выполнения работ. Перечисленные факторы относятся к взаимовлиянию, совместной работе новых и старых конструктивных элементов и к эффективности способов восстановления или усиления конструкций со значительными дефектами, деформациями, а также в случае увеличения нагрузок на них.

Ремонтопригодность. Это приспособленность конструкций к периодическим осмотрам и профилактическим ремонтам. Ремонтопригодность является регулятором долговечности сооружения, она дает возможность своевременно выявить конструкции, нуждающиеся в ремонте, выполнить его и восстановить эксплуатационные качества конструкций, обеспечив надежность всего сооружения. Ремонтопригодность обусловливается в основном проектными решениями.

В сооружениях необходимо предусматривать ходовые мостики, лестницы, площадки, с которых можно осматривать и ремонтировать конструкции, расположенные на большой высоте. Например, можно обследовать узлы опирания верхних конвейерных мостов на силосные корпуса и сами мосты. Незамеченное же повреждение этих конструкций и узлов может привести к аварии. При проектировании реконструкции необходимо обеспечить доступ как к вновь возведенным, так и ко всем остальным конструкциям зданий и сооружений.

§ 2. ПРОЕКТИРОВАНИЕ РЕКОНСТРУКЦИЙ

Основанием для проектирования реконструкции служит задание, которое, кроме обычных для нового проектирования данных, должно включать такие специфические требования, как необходимость и объем натурных обследований сооружений и инженерно-геологических изысканий.

Исходные данные для реконструируемых объектов также должны содержать специфические материалы: техническую документацию существующего предприятия со всеми изменениями, внесенными в процессе эксплуатации; отчеты об инженерно-геологических изысканиях, проводившихся на площадке в различное время; отчеты по обследованию сооружении; данные измерений осадок сооружений за все время строительства и эксплуатации.

На старых предприятиях и в архивах проектных организаций иногда полностью или частично отсутствует техническая документация по некоторым объектам, В этом случае проводят обмерочные работы с составлением чертежей по всем реконструируемым сооружениям или их отдельным элементам, что определяется заданием на проектирование реконструкции.

Проектирование реконструкции, как правило, требует проведения обследования сооружений, которое является ее важнейшим этапом. Обследуют сооружения на всех реконструируемых предприятиях. Однако его объем и направленность в каждом конкретном случае могут существенно отличаться в зависимости от задач и методов технологической реконструкции, наличия исходной технической документации и эксплуатационных данных, от времени и условий эксплуатации и состояния строительных конструкций реконструируемых сооружений.

Обязательно необходимо проводить обследования конструкций: если новые нагрузки или усилия превысят ранее принятые в проекте нагрузки для этой конструкции; при обнаружении деформаций и дефектов, снижающих эксплуатационную надежность; при отсутствии на конструкцию технической документации.

Инженерно-геологические изыскания при реконструкции проводят: если нагрузки на фундамент существенно возрастают по сравнению с проектными или действующими фактически; если осадки и крены превышают нормативные величины и особенно при отсутствии их стабилизации; при обнаружении деформаций надземных конструкций, характер которых указывает на причины, связанные с работой фундаментов и оснований; при необходимости усиления фундаментов; при возможном или обнаруженном изменении уровня грунтовых вод и их агрессивности по отношению к конструкциям фундаментов; при возведении новых сооружений в зоне влияния на фундаменты существующих реконструируемых сооружений. Для обоснованного прогнозирования осадок инженерно-геологические изыскания должны охватывать все зоны взаимного влияния сооружений.

Важной стороной обследования является определение несоответствия объемно-планировочных и конструктивных решений реконструируемого сооружения современным требованиям пожаровзрывобезопасности для объекта обследуемого типа (пути эвакуации, стеклоблочные окна, площадь легкосбрасываемых конструкций и т. д.).

Обследование сооружений должно дать проектировщикам необходимые недостающие сведения о конструкциях и их состоянии, расчетных характеристиках материалов и грунтов оснований, осадок сооружений и другие сведения, влияющие на принятие проектных решений, а также расчет конструкций и оснований реконструируемых сооружений.

Проектирование реконструкции целесообразно осуществлять на основе сравнения вариантов. Предпочтение следует отдавать варианту с наибольшей экономической эффективностью. Она определяется не только уровнем капитальных вложений г намечаемую реконструкцию. Большое значение имеют также продолжительность реконструкции, возможность проведения работ в условиях действующего предприятия, степень ограничения эксплуатации его отдельных производств.

При выборе конструктивного решения, как правило, преимущество будет иметь вариант с использованием существующих конструкций. Это использование возможно как без изменения конструкций, так и с их изменением.

Проведение реконструкции без изменения или без существенного изменения конструкций является наиболее предпочтительным. Однако оно требует соответствующих условий и встречается довольно редко. Для его реализации необходимо, чтобы существующие конструкции не имели значительных дефектов и их несущая способность отвечала нагрузкам и воздействиям после реконструкции. Это может быть при техническом перевооружении, когда новое оборудование имеет массу меньшую или такую же, как и существующее. При нормальном состоянии конструкций в этом случае может потребоваться только пробивка отверстий в перекрытиях и стенах из-за другого расположения самотечных труб и иных технологических коммуникаций.

Небольшой размер отверстий и применение эффективных методов резки (например, газоплазменной) делают эти работы несущественными по объему и трудовым затратам. Реконструкцию без изменения существующих конструкций можно проводить, изменяя расчетную схему элемента при установке нового оборудования, обеспечивающего восприятие даже увеличенных нагрузок. В некоторых случаях детальное исследование несущей способности элементов конструкций, имеющих дефекты, позволяет отказаться от затрат на усиление.

Улучшить условия работы конструкций и увеличить срок их службы можно уменьшением или ограничением действующих на них нагрузок. Осуществление таких мероприятий не требует или сводит к минимуму затраты материалов и переделки. Для уменьшения нагрузки на стены отдельных ячеек силосов выполняют следующее: объединяют этот силос с соседним или со "звездочкой" с помощью перепускных отверстий, в результате чего выпуск основной массы зерна будет происходить через перепускные отверстия без повышения давления в данном силосе; используют центральную разгрузку силоса вместо внецентренной; регулируют истечение зерна с помощью объединенных самотечных труб; ограничивают высоту загрузки зерна в силосы и бункера. Для разгрузки балок и ферм покрытия заменяют тяжелую кровлю более легкой. Иногда запасы несущей способности старых каркасных зданий выявляются в результате учета их пространственной работы, если ее не учитывали при проектировании.

Наиболее частым случаем реконструкции будет все же вариант с изменением конструкций. Объем изменений определяется характером реконструкции, нагрузками от нового оборудования, соответствием существующих конструкций и объемно планировочных решений современным нормативным требованиям, в частности по пожаровзрывобезопасности, и состоянием строительных конструкций.

Основными направлениями строительной реконструкции этого вида будут максимально индустриальные решения, обеспечивающие минимум работ на площадке и в условиях функционирующего производства их максимальную безопасность при возведении. Для уменьшения объема работ по изменению строительных конструкций при расчете необходимо учесть и уточнить те допущения, которые принимались ранее с целью упрощения расчета при проектировании конструкций: пространственную работу конструкций, рассчитанных как плоские; жесткость узлов; неразрезность элементов; возможное развитие пластических деформаций; изменившиеся с момента строительства сооружений сочетания нагрузок и т. п.

Принятая при проектировании реконструкции расчетная схема здания, сооружения или отдельных их конструктивных элементов должна учитывать фактическое состояние зданий (по данным проведенного обследования), условия работы, отклонения от первоначальных геометрических форм, наличие смещений и т. д.

Если фактические деформации превышают предельно допустимые нормами значения, но могут быть допущены по условиям эксплуатации, в расчет рекомендуется вводить деформированную схему с учетом влияния перемещений элементов под нагрузкой.

Возможно, что в проекте реконструкции предусматривается косвенное усиление существующих конструкций введением новых конструктивных элементов, тогда следует установить характер перераспределения усилий на основе учета фактических жест костей сохраняемых и проектируемых дополнительных конструкций.

Если проект предусматривает прямое усиление конструкций, то расчет производят по нормам проектирования конструкций из конкретных материалов.

При проектировании реконструкции следует учитывать возможность неблагоприятного воздействия на существующие конструкции строительно-монтажных работ (вибрация, дополнительные осадки из-за водопонижения, нагрузки от складирования строительных материалов на этажах и т. п.). Также следует учитывать влияние новых сооружений на осадки существующих, имеющих повышенную чувствительность к неравномерным осадкам. При этом нужно стремиться к тому, чтобы неблагоприятные воздействия от нового строительства на существующие сооружения были минимальны, в частности: фильтрационное разрушение и вынос частиц грунта при водоотливе, обводнение грунтов существующих фундаментов; дополнительные осадки при водопонижении, динамика при забивке свай и шпунта.

Новые фундаменты нужно закладывать на Одном уровне с существующими, В случае необходимости заложения их ниже существующих необходимо соблюдать требования СНиП 2.02.01—83 либо предусматривать ограждения до отрывки котлована (шпунт, "стена в грунте"), обеспечивающие устойчивость основания существующего фундамента.

При наличии дренажной сети у существующего здания или сооружения при реконструкции его сохраняют или восстанавливают. Заложение фундаментов выше дренажа не допускается.

Осадки нового здания, сооружения допускается определять без учета фактического уплотненного состояния грунта в зоне влияния существующего здания или сооружения. Выбор типа основания и фундамента нового здания или сооружения и мероприятий по обеспечению эксплуатационной надежности существующих зданий и сооружений следует проводить с учетом расчетных осадок нового здания (сооружения), дополнительной осадки и состояния существующего здания (сооружения). Если расчетная дополнительная осадка превышает допустимую или состояние существующего здания внушает опасение, то нужно предусматривать устройство разделительной шпунтовой стенки вдоль всей линии примыкания зданий.

Возможен также случай реконструкции со сносом отдельных сооружений или их частей. Для этого необходимо наличие двух условий: во-первых, если техническое состояние сооружения таково, что его ремонт потребует больших затрат, чем разборка и возведение нового сооружения, и, во-вторых, если объемно-планировочные решения существующего сооружения не позволяют осуществить новые эффективные технологические решения.

Строительную реконструкцию проектируют по действующим нормативным документам, но в отличие от проектирования новых объектов она имеет свои особенности.

При осуществлении реконструкции сооружения, любом изменении строительных конструкций, связанном с увеличением действующих нагрузок или с необходимостью устранения обнаруженных дефектов и деформаций и другими причинами, требуется соблюдение современных нормативов. Однако если существующие конструкции не имеют недопустимых дефектов и деформаций и нагрузки на них после реконструкции сооружения не увеличиваются, то даже при известных недостатках и несоответствии современным нормативным требованиям приведение их в соответствие с последними необязательно.

Такое допущение не распространяется на нормативные требования по пожаровзрывобезопасности и охране труда. Требования этих нормативных документов должны выполняться во всех случаях реконструкции. Однако иногда в существующих сооружениях, особенно старой постройки, не удается полностью реализовать требования нормативов в части объемно-планировочных и конструктивных решений.

В таких случаях при проектировании целесообразно использовать и другие меры, которые могут компенсировать некоторое вынужденное несоблюдение современных нормативов. Такие исключения чаще всего требуются при реконструкции различных предприятий, построенных давно, и элеваторов, которые по группе взрывоопасности находились на одну ступень ниже.

Расчеты, обосновывающие возможность эксплуатации конструкций после реконструкции, следует производить на основе первоначальных проектных материалов и изысканий и данных натурных обследований и изысканий, выполненных в связи с предстоящей реконструкцией. При отсутствии дефектов и деформаций, снижающих эксплуатационную надежность конструкций, расчеты можно производить на основании старых проектных данных, при наличии — на основании данных натурных обследований, которые сопоставляют с проектными. В случае отсутствия первоначального проекта исходными данными для проектирования реконструкции становятся исключительно данные натурных обследований.

Для конструкций, сохраняемых при реконструкции, которые были запроектированы и возведены по ранее действовавшим нормам, нормативные характеристики следует назначать в соответствии с основной прочностной характеристикой материала (кубиковая прочность бетона, предел текучести стали и т. п.) в соответствии с указаниями, приведенными в нормах проектирования.

Для сохраняемых конструкций, запроектированных и построенных по действующим нормам, или для вновь возводимых конструкций нормативные и расчетные сопротивления материалов конструкций назначаются в соответствии с нормами проектирования как при новом строительстве.

Если нормативные и расчетные характеристики материалов в нормативных документах увеличивались в результате повышения качества изготовления этих материалов, то при проектировании реконструкции эти характеристики нужно принимать по их значениям в период возведения конструкций.

Работа конструкций, усиливаемых под нагрузкой, и расчет их существенно отличаются от работы и расчете вновь проектируемых конструкций, так как эти элементы уже находятся в напряженном состоянии. В расчете металлоконструкций необходимо учитывать совместную работу металла основной конструкции и элементов усиления. Металл таких элементов по своим механическим свойствам может отличаться от металла основной конструкции.

В связи с тем что металлические конструкции, возведенные до 1955 г., проектировали и рассчитывали по методу допускаемых напряжений, а с 1955 г по методу предельных состояний, расчет усиление конструкций, возведенных до 1955 г., рекомендуется проводить по допускаемым напряжениям, принимая величину нагрузок по действующим нормам без учета коэффициента перегрузки.

При усилении элементов металлических конструкций используют два варианта расчетов: первый — по упругой стадии, если усиливающие элементы воспринимают усилия только от дополнительных нагрузок; второй — с учетом пластической стадии, когда в основном {старом) сечении напряжения достигают предела текучести и происходит выравнивание напряжений в основном и дополнительном сечениях.