Projektowanie konstrukcji i połączeń stalowych dla 74 silosów na materiały z recyklingu pod obciążeniami ekstremalnymi
Sercem projektu było 74 nowych silosów na materiały z recyklingu o wysokościach konstrukcyjnych do 35 m. Obiekt uzupełniono o mosty rurociągowe, platformy serwisowe, chodniki oraz wieże klatek schodowych ewakuacyjnych. Przy około 800 t zainstalowanej stali projekt stał się jednym z najbardziej wymagających projektów przemysłowych realizowanych przez firmę. Połączenie wysokich obciążeń pionowych, złożonych szczegółów połączeń oraz zwiększonych wymagań sejsmicznych wymagało precyzyjnego planowania cyfrowego, a także przejrzystych i weryfikowalnych sprawdzeń normowych konstrukcji.
Przegląd projektu
Nowy obiekt silosowy został zaprojektowany jako centralny element rozbudowy zakładu. Służy do magazynowania dużych ilości materiałów nadających się do recyklingu na potrzeby przetwórstwa przemysłowego. Instalacja obejmuje kilka grup silosów o różnych rozmiarach, połączonych złożonym systemem rurociągów, chodników serwisowych i konstrukcji stalowych.
Zakres geometryczny silosów był wyjątkowy. Średnice wahają się od 2,5 m do 4,5 m, a objętości magazynowe od 125 m³ do 400 m³. W stanie napełnienia każdy pojedynczy silos osiąga masę eksploatacyjną do 350 t. Ponadto mosty rurociągowe, platformy oraz systemy klatek schodowych ewakuacyjnych musiały zostać zintegrowane z globalnym układem konstrukcyjnym, aby zapewnić bezpieczną eksploatację, dostęp serwisowy oraz drogi ewakuacyjne na wysokościach do 35 m.
Wyzwania inżynierskie
Kluczowe wyzwanie pojawiło się już na etapie projektowania koncepcyjnego podkonstrukcji silosów. Zbiorniki o wysokościach do 35 m są podparte na kołowych belkach pierścieniowych, przez które wysokie obciążenia pionowe muszą być równomiernie przekazywane na stalową podkonstrukcję. Nawet niewielkie odchyłki geometryczne mogą powodować niepożądane mimośrody i dodatkowe naprężenia w płaszczu silosu.
Aby ograniczyć te ryzyka, istotne elementy konstrukcyjne były wstępnie montowane w warsztatach produkcyjnych firmy Stahlbau Süssen. Dopasowanie i kontrola jakości zapewniły, że belki pierścieniowe, elementy platform i szczegóły połączeń mogły być montowane na budowie z dużą dokładnością.
Dodatkową złożoność wynikała z wzajemnego oddziaływania różnych elementów konstrukcyjnych. Główne słupy, belki pierścieniowe, układy stężeń, mosty rurociągowe i platformy musiały być skoordynowane w ramach trójwymiarowego globalnego układu konstrukcyjnego. Jednocześnie należało uwzględnić znaczące oddziaływania od ciężaru własnego, obciążeń użytkowych, warunków eksploatacyjnych oraz efektów dynamicznych.
Projektowanie sejsmiczne przy wysokich oddziaływaniach
Szczególne wyzwanie wynikało z lokalizacji projektu w Rheinfelden w Górnym Rowie Reńskim. Teren znajduje się w strefie o zwiększonej aktywności sejsmicznej. W połączeniu ze znacznymi wysokościami konstrukcji i dużymi masami ruchomymi skutkuje to istotnymi oddziaływaniami poziomymi i odpowiednio wysokimi siłami wewnętrznymi.
Cała konstrukcja została zamodelowana w programie Dlubal RSTAB. Szczegółowy model globalny umożliwił precyzyjne wyznaczenie reakcji podporowych i sił wewnętrznych na potrzeby dalszego projektowania. Jednak silnie obciążone węzły oraz masywne połączenia podstawy wymagały zaawansowanej analizy wykraczającej poza konwencjonalne uproszczone metody weryfikacji (Rys. 5a, 5b).
Konwencjonalne procedury weryfikacji wiązałyby się ze znacznym nakładem pracy ręcznej ze względu na dużą liczbę połączeń i złożoność kombinacji obciążeń. Jednocześnie istniało ryzyko, że nadmiernie uproszczone założenia mogłyby prowadzić do niepotrzebnie ciężkich konstrukcji.
Rozwiązanie z wykorzystaniem IDEA StatiCa
Do weryfikacji miarodajnych połączeń zespół wykorzystał IDEA StatiCa Connection w połączeniu z IDEA StatiCa Checkbot. Dzięki bezpośredniemu interfejsowi z programem RSTAB obliczone siły wewnętrzne mogły być przekazywane do projektowania połączeń bez ręcznych kroków pośrednich.
Umożliwiło to ciągły cyfrowy przepływ pracy między globalnym modelem konstrukcyjnym a szczegółowym projektowaniem. Inżynierowie mogli w ten sposób analizować silnie obciążone węzły oraz oceniać rozkłady naprężeń i odkształcenia plastyczne w sposób przejrzysty i wiarygodny.
Szczególnie w przypadku płyt podstawy i połączeń głównych słupów technologia CBFEM dostarczyła cennych informacji na temat zachowania nośnego stref połączeń. Lokalne koncentracje naprężeń zostały zidentyfikowane i zredukowane za pomocą ukierunkowanych działań, takich jak dodanie usztywnień. Jednocześnie zweryfikowano, że wszystkie połączenia spełniają wymagane poziomy bezpieczeństwa nawet w wyjątkowych warunkach obciążenia.
Wyniki
Łącząc globalne modelowanie w programie RSTAB z projektowaniem połączeń w IDEA StatiCa, firma Stahlbau Süssen była w stanie przeprowadzić wstępne i szczegółowe projektowanie konstrukcyjne 74 silosów oraz powiązanych obiektów pomocniczych w sposób efektywny i przejrzysty.
Cyfrowa spójność między globalną analizą konstrukcji a lokalnym projektowaniem połączeń znacznie zmniejszyła nakład pracy ręcznej i zminimalizowała potencjalne błędy transferu. Jednocześnie szczegółowa analiza węzłów umożliwiła ukierunkowaną optymalizację konstrukcji bez uszczerbku dla wymaganych marginesów bezpieczeństwa.
Rezultatem jest wysokowydajna konstrukcja stalowa o łącznej masie około 800 t, która spełnia zarówno wyjątkowe oddziaływania eksploatacyjne, jak i zwiększone wymagania sejsmiczne na danym terenie. Ścisła integracja projektowania konstrukcyjnego, szczegółowania i wytwarzania umożliwiła bezpieczną realizację jednego z największych projektów silosowych w portfolio firmy.
O inżynierze konstruktorze
Bilal Al Dukhan jest inżynierem budownictwa i inżynierem konstruktorem w firmie Stahlbau Süssen GmbH. W ramach projektu był odpowiedzialny za istotne części wstępnego i szczegółowego projektowania konstrukcyjnego, a także za projektowanie połączeń stalowych. Jego specjalizacja obejmuje ekonomiczne i praktyczne rozwiązania dla złożonych konstrukcji w budownictwie przemysłowym i stalowym.
Wypróbuj IDEA StatiCa za darmo
