харківська державна академія

залізничного транспорту

молодченко Геннадій Анатолійович

УДК 624.954.012.45

залізобетонні силоси з раціональним формуванням технологічних впливів

Спеціальність 05.23.01 – будівельні конструкції, будівлі та споруди

а в т о р е ф е р а т

на здобуття наукового ступеня

доктора технічних наук

ХАРКІВ - 2000

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана у Харківській державній академії міського господарства (ХДАМГ) Міністерства освіти і науки України.

Офіційні опоненти: | доктор технічних наук, професор

КЛіМОВ Юлій Анатолійович,

завідувач відділу теорії і методів

розрахунку залізобетонних конструкцій

Науково-дослідного інституту будівельних

конструкцій (НДІБК), м. Київ;

доктор технічних наук, професор

КРИЧЕВСьКИЙ Олександр Павлович,

професор кафедри залізобетонних

конструкцій Донбаської державної

академії будівництва і архітектури,

м. Макіївка;

доктор технічних наук, професор

СТОРОЖЕНКО Леонід Іванович,

професор кафедри конструкцій з металу,

дерева і пластмас Полтавського

державного технічного університету

ім. Ю.Кондратюка

Провідна установа: | Харківський державний технічний

університет будівництва і архітектури,

кафедра залізобетонних та камяних

конструкцій, м. Харків

Міністерства освіти і науки України

Захист відбудеться “ 21 ” грудня 2000 р. о 1330 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 64.820.02 Харківської державної академії залізничного транспорту за адресою: 61050, м. Харків, майд. Фейєрбаха, 7.

З дисертацією можна ознайомитись у бібліотеці Харківської державної академії залізничного транспорту за адресою: 61050, м. Харків, майд. Фейєрбаха, 7.

Автореферат розісланий “ 17 ” листопада 2000 р.

Вчений секретар

спеціалізованої вченої ради

к.т.н., доцент Єрмак Є.М.

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність досліджень. Світова практика переходу на закрите зберігання сільськогосподарських і промислових сипучих матеріалів в ємкостях силосного типу обумовлена застосуванням високомеханізованих і автоматизованих комплексів вантажно-розвантажувальних робіт, а також екологічними вимогами охорони навколишнього середовища. Накопичений досвід експлуатації залізобетонних силосів свідчить про часті випадки пошкоджень стін, виникнення аварійних ситуацій. Інтенсивні руйнування стін із внутрішньої сторони спостерігаються в ємкостях для гарячих сипучих матеріалів. Зазначене багато в чому зв'язано з недостатньою вивченістю процесів формування навантажень на стіни силосів, закономірностей розподілу температури нагрівання їх у процесі експлуатації, з неповним урахуванням цих впливів у нормативних документах. Свідченням цьому служить факт паралельної дії в Україні двох нормативних документів з проектування силосів для промислових (СН 302-65) і сільськогосподарських (СН 261-77) сипучих матеріалів.

Вимагають удосконалення методи оцінки несучої здатності стін силосів, їхньої жорсткості при роботі з тріщинами.

Відсутність повних даних про фізичну природу явищ, що відбуваються усередині сипучого матеріалу при розвантаженні, стримує розробку нових конструкцій силосів, створення єдиних норм України з їх проектування.

Відзначене визначає необхідність удосконалення методів розрахунку силосів і розробки наукових принципів їхнього конструювання на основі раціонального формування технологічних впливів.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Робота виконувалася за цільовою комплексною програмою НТП 055.01.121.Н1, а також за координаційним планом Міністерства освіти України, завдання 21. Автор був науковим керівником і відповідальним виконавцем базових для підготовки дисертації науково-дослідних робіт, присвячених питанням вивчення закономірностей руху сипучих матеріалів при розвантаженні, їх тиску на стіни, розподілу температури нагріву стін, конструюванню ємкостей. Номери держреєстрації: Б 194658 - 1973; Б 316535 - 1974; Б 505211 - 1976; Б 884985 - 1981; 02830053785 - 1986.

Ціль роботи - побудова наукових принципів регулювання напружено-деформованим станом стін силосів шляхом направленого формування технологічних впливів і розробка на їхній основі нових конструктивних рішень, що відповідають вимогам ефективності й експлуатаційної надійності стосовно до нового будівництва і реконструкції.

Задачі досліджень:

- розробити фізичну модель процесу витікання і формування тиску, що описує кінематику системи “сипучий матеріал - стіна силосу”;

- експериментально на моделях і в натурних умовах вивчити особливості переміщення сипучого матеріалу усередині ємкості при розвантаженні і закономірності формування підвищеного тиску на стіни силосів;

- теоретично оцінити ступінь підвищення горизонтального тиску сипучого матеріалу при розвантаженні, установити характер його зміни по поверхні стін силосів і порівняти з результатами експериментів;

- на основі створеної фізичної моделі процесу розробити метод розрахункового визначення температури нагрівання стін силосів при позацентровому розвантаженні гарячого сипучого матеріалу;

- розробити методику розрахунку стін силосів, що враховує зміну їх жорсткістних характеристик і, як наслідок, тріщиностворення і нелінійність деформування бетону;

- розробити метод розрахунку додаткового тиску сипучого матеріалу на стіни силосів у залежності від добових коливань температури повітря;

- побудувати метод розрахунку несучої здатності стін залізобетонних силосів при їхньому руйнуванні на локальних ділянках і перемінному армуванні за висотою;

- розробити нові конструктивні рішення силосів з урахуванням керування кінематикою процесу витікання при їхньому розвантаженні;

- упровадити результати досліджень у практику проектування, будівництва і реконструкції силосів.

Об'єкт дослідження - залізобетонні силоси для зберігання і переробки промислових і сільськогосподарських сипучих матеріалів.

Предмет дослідження - технологічні впливи, що визначають формування тиску на стіни силосів, температуру нагрівання стін з позацентровим розвантаженням гарячих сипучих матеріалів при різних режимах експлуатації.

Методи дослідження:

- аналіз і синтез конструктивних рішень силосів у взаємозв'язку з характером і ступенем їх пошкоджень і руйнувань у процесі експлуатації;

- феноменологічна побудова фізичної моделі процесу переміщення сипучого тіла усередині ємкості і вивчення на її основі закономірностей формування тиску на стіни силосів, формулювання та обгрунтування гіпотези механічного теплопереносу, обумовленого багаторазовим контактом зі стіною силосу гарячого сипучого матеріалу в процесі його позацентрового розвантаження;

- експериментальне визначення переміщень сипучого тіла усередині ємкості, що включає розроблений автором спосіб “заморожування”, процедуру та алгоритм його реалізації;

- порівняльний аналіз результатів експериментальних досліджень на моделях (якісна сторона) і в натурних умовах (кількісна сторона процесу) при вивченні закономірностей формування тиску сипучого матеріалу на стіни ємкостей при їх завантаженні і розвантаженні, обробка отриманих результатів з використанням методів математичної статистики;

- порівняння основних теоретичних положень з експериментальними даними та інформацією, отриманою шляхом промислового впровадження при новому будівництві і реконструкції.

Наукову новизну отриманих результатів визначають:

- розроблена та апробована експериментально і теоретично фізична модель процесу переміщення сипучого тіла усередині ємкості і встановлений його зв'язок з формуванням тиску на стіни силосів;

- принципи конструювання силосів, засновані на раціональному формуванні потоку витікання сипучого матеріалу усередині ємкості при розвантаженні;

- експериментально отримані якісні й кількісні характеристики тиску сипучого матеріалу на стіни силосів і особливості їхньої трансформації;

- нові закономірності переміщення шарів сипучого матеріалу усередині ємкостей у початковий період розвантаження, а також в умовах стаціонарного режиму розвантаження і проточного режиму;

- залежності, що дозволяють оцінити ступінь підвищення горизонтального тиску сипучого матеріалу на стіни силосів при розвантаженні і проточному режимі;

- уперше встановлений ефект і сформульована гіпотеза взаємного впливу ексцентриситету позацентрового розвантаження для гарячого сипучого матеріалу на якісні й кількісні показники температурного поля в системі “сипучий матеріал-оболонка силосу”, нові закономірності взаємозв'язку між досліджуваними величинами, підтверджені тестуванням на моделях силосів і у виробничих умовах;

- методика розрахунку додаткового тиску у залежності від добових коливань температури зовнішнього повітря, урахування нелінійного перепаду температури за товщиною стін силосів;

- побудовані принципи розрахунку несучої здатності стін силосів, що враховують їхню просторову роботу, локальні ушкодження стін і їхнє перемінне армування за висотою ємкості;

- нові ефективні конструктивні рішення силосів з раціональним формуванням технологічних впливів.

Практичне значення отриманих результатів. На основі отриманих експериментально-теоретичних даних створена можливість подальшого удосконалювання конструктивних рішень силосів із забезпеченням їхньої ефективності та експлуатаційної надійності, оцінки залишкової несучої здатності споруд, що одержали пошкодження і руйнування в зв'язку з прийнятими незадовільними конструктивними рішеннями, виникненням підвищених тисків сипучого матеріалу, а також у результаті впливів температури нагрівання стін силосів при позацентровому розвантаженні гарячих сипучих матеріалів. Отримано критерій необхідності підсилення стін силосів у вигляді критичного значення висоти зони руйнування, що дозволяє обґрунтувати оптимальні методи підсилення, відновлення і реконструкції.

Упровадження результатів роботи. Результати досліджень використані в “Рекомендаціях з підсилення залізобетонних конструкцій будівель і споруд підприємств при реконструкції”, у “Рекомендаціях з проектування і підсилення залізобетонних сховищ для сипучих матеріалів, у тому числі з підвищеною температурою, для умов реконструкції”, а також при проектуванні і реконструкції ряду об'єктів силосного типу на діючих підприємствах різних галузей промисловості, у тому числі:

- при реконструкції силосів для гарячого клінкера на Карачаєво-Чер-кеському, Сухоложському, Брянському, Разданському, Щуровському цементних заводах, на цементному заводі “Пролетарій” АТ “Новоросце-мент”, на Ново-Акмянському і Балаклійському цементно-шиферних комбінатах;

- при реконструкції силосів для клінкера на об'єктах АТ “Осколцемент”;

- при реконструкції і підсиленні силосів закритих складів вугілля на Авдєєвському КХЗ, Череповецькому і Ново-Липецькому МК;

- при реконструкції і підсиленні збірних залізобетонних силосів канелюрного типу для насіння Сватівського МЕЗ.

Крім того, матеріали досліджень використані в навчальних виданнях для студентів, що навчаються за фахом “Промислове і цивільне будівництво”.

Особисто отримані здобувачем результати:

- аналіз конструктивних рішень силосів у взаємозв'язку з характером і ступенем їхніх пошкоджень у процесі експлуатації. Використано отримані автором дані обстежень більше п'ятисот силосів на п'ятдесяти п'ятьох об'єктах різних галузей промисловості (вугільної, коксохімічної, цементної, алюмінієво-магнієвої, гірничодобувної, машинобудівної та ін.);

- сформульована фізична модель процесу витікання сипучого матеріалу із силосів і формування підвищеного тиску на стіни при розвантаженні;

- методи експериментальних досліджень процесу витікання сипучого матеріалу усередині ємкості при центральному і позацентровому розвантаженні і результати цих досліджень на моделях силосів і в натурних умовах;

- результати експериментальних досліджень тиску сипучого матеріалу на стіни силосів на моделях і в натурних умовах при різних режимах експлуатації, результати статистичної обробки отриманих дослідних даних;

- теоретичний аналіз витікання сипучого матеріалу при розвантаженні силосів на стадіях несталого і сталого руху. Підтверджено взаємозв'язок особливостей процесу витікання сипучого матеріалу і формування тиску на стіни силосів;

- сформульована гіпотеза механічного теплопереносу при позацентровому розвантаженні ємкостей з гарячим сипучим матеріалом, отримане теоретичне та експериментальне її обґрунтування як на моделях силосів, так і у виробничих умовах на силосах для гарячого клінкера трьох діючих цементних заводів. Установлено взаємозв'язок процесу підвищеного нагрівання стін силосів з їхнім інтенсивним пошкодженням;

- методика урахування нелінійних деформацій залізобетонних стін силосів із тріщинами з використанням спадаючої гілки діаграми середніх напружень у бетоні на ділянках між тріщинами в залежності від напружень (деформацій) у розтягнутій арматурі;

- методика оцінки несучої здатності залізобетонних стін силосів при локальних навантаженнях за рахунок виключення з роботи на розтяг горизонтальної кільцевої арматури внутрішнього ряду і при перемінному армуванні за висотою;

- конструкції силосів з раціональним формуванням технологічних впливів, адаптовані до умов проектування нового будівництва і здійснення реконструкції діючих об'єктів;

- методики розрахунку вузла кріплення металевої лійки до монолітної залізобетонної стіни силосу, оболонок канелюрного типу, оболонок з радіальними перегородками.

Апробація результатів роботи. Основні результати дисертації доповідалися та обговорювалися на: Всесоюзних конференціях “Механіка сипучих матеріалів” (II конференція, м. Одеса, 1971 р.; III конференція, м. Одеса, 1975 р.; IV конференція, м. Одеса, 1980 р.); VIII Всесоюзній конференції по бетону і залізобетону, м. Харків, 1977 р.; V Всесоюзній конференції “Експериментальні дослідження інженерних споруд”, м. Київ, НДІБК, 1981 р.; Республіканській конференції “Удосконалення конструкцій, що працюють на складні види деформацій і їхнє впровадження в сільськогосподарське будівництво”, м. Полтава, 1982 р.; республіканській конференції “Технологія та організація реконструкції промислових підприємств”, м. Дніпропетровськ, 1985 р.; науково-технічній конференції “Економія і раціональне використання сировинних, паливно-енергетичних і інших матеріальних ресурсів у будівництві”, м. Харків, 1986 р.; Всесоюзному семінарі “Індустріальні технічні рішення для реконструкції будівель і споруд промпідприємств”, м. Макіївка, 1986 р.; Республіканський науково-технічній конференції “Удосконалення залізобетонних конструкцій, що працюють на складні види деформацій і їхнє впровадження в будівельну практику”, м, Полтава, 1989 р.; Всесоюзній конференції “Нові технології зведення будівель, розрахунок будівельних конструкцій”, м. Бєлгород, 1991 р.; Міжнародній конференції “Ефективні конструкції, методи розрахунку і зведення будівель і споруд”, м. Бєлгород, 1993 р.; Міжнародній конференції “Ресурсозберігаючі технології будівельних матеріалів, виробів і конструкцій”, м. Бєлгород, 1995 р.; Першій Всеукраїнській науково-технічній конференції “Науково-практичні проблеми сучасного залізобетону”, м. Київ, 1996 р.; Міжнародному конгресі МКПК-98 “Просторові конструкції в новому будівництві і при реконструкції будівель і споруд”, м. Москва, 1998 р.; науково-практичних конференціях ХДАМГ 1984-2000 р.

У повному обсязі дисертація доповідалася і одержала схвалення на засіданні міжвузівського семінару “Будівельні конструкції” докторських спеціалізованих вчених рад Д 64.820.02 при ХарДАЗТ і Д 64.056.04 при ХДТУБА в 2000 році.

Публікації. Основний зміст дисертації опублікований у 37 наукових роботах, у тому числі в 2-х брошурах і 7-ми авторських свідоцтвах.

В опублікованих у співавторстві роботах автору належать: [4] - розділи, що відносяться до конструювання, розрахунку підсилення і реконструкції силосів; [5] - частина посібника, що відноситься до залізобетонних і кам'яних конструкцій; [26] - ідея постановки задачі, обробка експериментальних даних і їхнє обгрунтування.

В інших роботах у співавторстві автору належать ідеї методології досліджень і конструкторських розробок.

Структура і обсяг роботи. Дисертація складається з вступу, 8 розділів, загальних висновків, списку використаних джерел і додатків. Викладена на 365 сторінках, у тому числі 139 рисунків і 23 таблиці на 69 сторінках, списку використаних джерел з 325 найменувань на 33 сторінках і 6 сторінок додатків.

Автор вважає своїм обов'язком висловити подяку науковому консультанту лауреату Державної премії України, доктору технічних наук, професору Шмуклеру В.С.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

Аналіз сучасних тенденцій проектування і будівництва залізобетонних силосів (призматичних ємкостей, висота яких Н при круглій у плані формі поперечного перерізу діаметром D задовольняє умові Н 1,5D чи при довільній формі плану - , де А - площа поперечного перерізу) для зберігання і переробки сипучих матеріалів у взаємозв'язку з їх конструктивними рішеннями і досвідом експлуатації в різних галузях промисловості підтверджує наявність технологічних впливів на стіни ємкостей, природа виникнення яких є предметом вивчення вітчизняних і закордонних дослідників. До таких впливів у першу чергу відносяться зміни кількісних і якісних характеристик тиску сипучого матеріалу на стіни силосів у залежності від умов і режимів експлуатації (завантаження, розвантаження, проточний режим і ін.), особливості формування підвищених температур нагрівання стін при позацентровому розвантаженні гарячих сипучих матеріалів.

Першими експериментальними дослідженнями С.Г.Тахтамишева і М.І.Хаймовича на натурних силосах, а пізніше і дослідами В.С.Кіма, П.Н.Платонова було встановлено, що теорія Х.Янсена, опублікована в 1895 році, яку використовують у світовій практиці, задовільно описує отримані дані по величині тиску при завантаженні ємкості і у стані спокою. При розвантаженні ситуація істотно змінюється - зареєстровані в дослідах величини тиску у 2-3 і більше разів перевищили розрахункові значення. З 1941 року в нормах наведено поправочний коефіцієнт до формули Янсена. Наступні дослідження Г.І.Бердичевського, Г.В.Зарудського і І.І.Дубешко, Б.М.Іванова, Ф.А.Иссерса, М.І.Карпенко і С.Є.Бєлової, П.Коллінза, Д.Ленцнера, Г.Е.Панкратової і О.М.Трухлова, Б.А.Петрова, К.Піпера і Ф.Венцеля, К.Такахасі і Х.Гамахара, І.С.Хорошого і Н.Ф.Красічкової-Терновської, підтвердили та уточнили зазначені закономірності, а дослідами М.С.Бернштейна, А.В.Дженіке, М.Г.Дубиніна, А.Г.Іммермана, Р.Квапіла, Г.М.Малахова, М.М.Осипова, Д.В.Шумського та ін. установлено взаємозв'язок характеру витікання і тиску сипучого матеріалу на стіни силосів. Вид цього взаємозв'язку недостатньо повно вивчений через відсутність достовірних експериментальних даних.

Питанням оцінки та удосконалення конструктивних рішень силосів, аналізу навантажень і зусиль при взаємодії сипучого матеріалу з їх стінами присвячені дослідження А.Я.Барашикова, Г.І.Бердичевського, С.М.Кузнєцова, О.М.Курочкіна, М.Е.Липницького, В.І.Литвиненко, А.Н.Новікова, І.І.Романенко, Е.М.Смирнової, Г.К.Хайдукова, І.С.Хорошого та ін. Але у них не знайшли достатнього відображення питання формування технологічних впливів.

Теоретичні дослідження тиску, які грунтуються на розгляді граничного стану сипучого матеріалу, проведені Г.А.генієвим, С.С.Го-лушкевичем, Г.К.Клейном, К.Терцагі, А.Кезді та ін. їх аналіз показує, що представлення сипучого як твердого тіла не дозволяє описати процеси формування навантажень на стіни силосів. Це ж випливає і з рішень М.С.Бернштейна, В.Е.Глушкова, Л.В.Гячева, В.В.Ковтуна, Б.С.Фіалкова, у яких сипуче представлене моделлю дискретного середовища, що складається з зерен без зчеплення між ними. Ряд дослідників конструюють розрахункові моделі для описування напруженого стану на контакті сипучий матеріал-стіна силосу.

В останні роки в роботах О.П.Бушманової, А.Ф.Ревуженко, С.Б.Стажевського розвивається теорія напружено-деформованого стану сипучого середовища, що володіє властивостями дилатансії і мінливістю характеристик внутрішнього і зовнішнього тертя.

Особливості формування температурних полів у стінах силосів для гарячих сипучих матеріалів розглянуті в дослідженнях Б.В.Латишева і М.В.Ракова, Б.А.Петрова, С.Л.Фоміна та ін. Цей напрямок одержав розвиток в останні роки в зв'язку з численними руйнуваннями стін силосів із внутрішньої сторони і вимагає свого подальшого розвитку.

Добові коливання температури повітря створюють додатковий тиск сипучого матеріалу на стіни силосів. Дослідження в цій області А.В.Бурсіана, А.П.Єрьоміна, М.Кельнера, К.Кордіни, О.М.Курочкіна, О.Таймера, Л.Т.Яковлєва та інших авторів обгрунтовують необхідність урахування вказаного впливу в розрахунках силосів. Особливості силової взаємодії на контакті масиву з оболонкою у сталебетонних і пластобетонних елементах розглядали В.П.Пустовойтов, Г.Ш.Салія, Л.І.Стороженко, Е.Д.Чихладзе, О.Л.Шагін і інші.

Задачі нелінійного перепаду температури за перерізом стін оболонок розглянуті в роботах Б.Болі і Дж.Уейнера, Е.Мелана і Г.Паркуса, С.П.Тимошенко, а з урахуванням нелінійного деформування залізобетону - в роботах А.К.Гончарова, О.П.Кричевського, С.Л.Фоміна та інших дослідників. Істотний вплив на напружено-деформований стан стін робить максимальний температурний момент в кільцевому перерізі, величина якого для умов залізобетонних стін силосів спеціально не досліджувалася.

Жорсткість залізобетону з тріщинами досліджували О.Я.Берг, В.М.Бондаренко, Я.М.Немировський, В.Б. Протопопов, П.П.Романов, О.Л.Шагін та ін. З урахуванням особливостей роботи стін ємкісних споруд залучення введеного В.І.Мурашовим коефіцієнта S дозволяє врахувати внесок розтягнутого бетону, як на висхідній, так і на спадаючій гілках діаграми btS, оцінити граничну деформативність залізобетону і коефіцієнт тривалості при короткочасному, тривалому і багаторазово-повторному навантаженнях.

Ґрунтуючись на загальних положеннях теорії надійності конструкцій сформульованих А.Я.Барашиковим, В.В.Болотіним, В.Д.Райзером, О.Р.Ржаніциним, стосовно до стін силосів проведені дослідження відказів і оцінка несучої здатності Ф.І.Берманом, Л.А.Мельниковою, В.М.Попельнухом, Л.М.Пухонто, Б.А.Скориковим, Л.В.Шипель і іншими. Слід зазначити недостатню вивченість цих питань при локальних навантаженнях і перемінному армуванні за висотою ємкостей.

На підставі виконаного аналізу визначені і сформульовані задачі цих досліджень.

За сталою термінологією розрізняють три основні форми витікання сипучого матеріалу при розвантаженні: витікання лійкою з утворенням у масиві сипучого матеріалу трубки потоку над випускним отвором; витікання стовпом (гідравлічне), коли на поверхні засипки не утворюється лійка витікання; змішана форма витікання, при якій відбувається одночасний рух сипучого матеріалу за першою і другою описаними схемами. Збільшення горизонтального тиску сипучого матеріалу на стінки силосів практично всі дослідники зафіксували при другій формі витікання, вона і розглядається далі, як найбільш несприятлива. Її поява визначається конструктивними параметрами ємкостей (відношення висоти до діаметра) і технологічними факторами, що включають особливості заповнення, витримки, розвантаження або проточного режиму.

У запропонованій фізичній моделі процесу витікання і формування тиску на стінки силосів розглядаються три послідовно протікаючі стадії розвантаження і відповідні їм схеми руху сипучого матеріалу усередині ємкості.

На першій стадії розвантаження сипучого над випускним отвором утворюється зона розущільнення (дилатансії), що являє собою форму еліпсоїда обертання з розташуванням довгої його осі по вертикалі. Зі збільшенням часу випуску t еліпсоїд збільшується в розмірах, представляючи собою послідовно фігури 1, 2 і 3 (рис. 1,а). У межах обсягу зони дилатансії сипучий матеріал починає рухатися, перетворюючись у квазірідкий стан. Перша стадія характеризується несталим рухом і супроводжується трансформацією напруженого стану в масиві сипучого матеріалу - зниженням вертикальних і горизонтальних тисків у зоні ділатансії і підвищенням вертикальних тисків у кільцевій області.

На другій стадії розвантаження досягається граничний стан сипучого матеріалу в кільцевій області висотою z на глибині засипки z (рис. 1,б). Він характеризується переходом сипучого зі стану твердого тіла у квазірідкий стан, при якому виникає його переміщення у горизонтальному напрямку від пристінних ділянок до осі ємкості. Потрапляючи у зону дилатансії з меншим тиском, сипучий матеріал потоком витікання залучається у рух у напрямку до розвантажувального отвору. Горизонтальний тиск у області, що розглядається, підвищується, наближаючись за величиною до вертикального тиску, а вищерозміщений обєм засипки висотою z починає рухатися униз стовпом. Рух сипучого матеріалу на другій стадії має сталий характер і продовжується згідно зі зниженням рівня засипки до критичної позначки. При проточному режимі ємкості друга стадія зберігається на протязі його здійснення.

На третій стадії розвантаження (рис. 1, в) виникає змішаний рух сипучого стовпом і лійкою з наступним переходом до лійкоподібного витікання. Тиск сипучого на стінку істотно знижується, процес витікання наближається до завершення в описаному режимі.

Запропонована фізична модель процесу витікання і формування тиску сипучого матеріалу стала основою для прийняття вихідних передумов проведення експериментальних і теоретичних досліджень. Так, зокрема, для вивчення закономірності переміщення шарів сипучого матеріалу усередині ємкості при розвантаженні з моделей силосів запропоновано і реалізовано спосіб “заморожування”, що дозволяє фіксувати положення часток сипучого у будь-який момент часу витікання. Моделі, що можуть роз’єднуватися по діаметральній площині, виготовлені з оргскла з урахуванням принципів подібності в масштабі 1:200 і 1:60 до натурних силосів, з можливістю варіювання відносного ексцентриситету розташування випускного отвору. Більша модель обладнання месдозами тиску, адаптованими до стандартних комплексів вимірювальної апаратури з дискретною (ЦТМ-5) і безупинною (Н-700) реєстрацією показань у процесі розвантаження ємкості.

Представлені на рис. 2 діаграми переміщень зафарбованих шарів сипучого підтверджують справедливість прийнятої фізичної моделі. Фігура зони дилатансії (пунктирна лінія) близька до форми еліпса, а зменшення відстані між 4-6 шарами на контакті зі стінкою ємкості свідчить про наявність горизонтального руху сипучого матеріалу.

Описана вище кінематика руху сипучого матеріалу усередині ємкості визначає введення наступних гіпотез і передумов:

- сипучий матеріал у зоні дилатансії та в кільцевій області висотою z розглядається як такий, що знаходиться в квазірідкому стані;

- усі частки сипучого матеріалу в зоні дилатансії (перша стадія) і в лійці витікання (друга і третя стадії) переміщуються по радіусах до осі розташування випускного отвору;

- приймається принцип нерозривності струменів, що рухаються;

- рух сипучого матеріалу в зоні дилатансії відбувається за рахунок збільшення його обєму V у раз

, (1)

де = 1,05-1,06 - коефіцієнт дилатансії;

V- первісний обєм сипучого матеріалу.

З умови рівності витрат у будь-якому перерізі струменя та з урахуванням другої і третьої передумов випливає, що швидкість руху сипучого матеріалу в перерізі струменя на відстані l від його вершини обернено пропорційна цій відстані. Представляючи далі об’єм випуску сипучого матеріалу за час t у перерізі струменя на рівні випускного отвору діаметром d (d = 2r1), як збільшення його об’єму в струмені довжиною l за рахунок дилатансії (четверта передумова), отримано рівняння зв'язку швидкості витікання в розглянутому перерізі і довжини струменя у вигляді

, (2)

де ; ;

- кут внутрішнього тертя сипучого матеріалу.

Залежність (2) отримана для загального випадку нахилу струменя потоку під кутом до горизонталі і може бути використана при обробці результатів експериментальних досліджень. Зневажаючи в ній другим доданком, запишемо

. (3)

При аналітичному описуванні форми зони дилатансії використовуємо запропоновану Покровським Г.І. і Ареф'євим А.І. залежність між об’ємом випуску сипучого матеріалу V за одиницю часу і радіусом випуск-

ного отвору r1 у вигляді . Для функції впливу кута нахилу струменя пропонується емпірична залежність . З урахуванням вказаного з виразу (3) після перетворень одержимо рівняння

, (4)

де ;

- дослідні параметри.

Результати порівняння дослідних і розрахункових з урахуванням формули (3) відносних швидкостей витікання з круглого випускного отвору, а також розмірів дослідних і розрахункових за формулою (4) фігур зони дилатансії представлені відповідно на рис. 3 і 4. Вони підтверджують достатній ступінь відповідності фізичної моделі кінематиці реального процесу витікання.

Залежність (4) є рівнянням границь зони дилатансії і прийнята вихідною для визначення положення z кільцевої області z максимального підвищення горизонтального тиску сипучого матеріалу на стіни силосів. Розглядаючи умову рівноваги вертикальних зусиль у масиві сипучого матеріалу за горизонтальними перерізами і позначивши велику і малу півосі еліпса відповідно через а і b, отримано вираз для вертикального тиску рвк у кільцевій області

. (5)

де ; ;

, k - відповідно густина і коефіцієнт бокового тиску сипучого матеріалу;

f - коефіцієнт зовнішнього тертя;

- гідравлічний радіус поперечного перерізу силосу.

Проведеним числовим аналізом установлено, що функція рвк є унімодальною з ексцентриситетом типу максимуму і на області визначення не має особливостей.

Положення за висотою ємкості максимальних стискаючих напруг визначається з екстремуму функції

. (6)

Розглядаючи граничний стан сипучого матеріалу в кільцевій області z на другій стадії сталого руху і залучаючи умову міцності, наприклад, Кулона

,

отримано значення коефіцієнта бокового тиску

, (7)

з якого випливає, що перехід реальних сипучих матеріалів у квазірідкий стан настає за умови . Зменшення кута внутрішнього тертя в 2 рази приводить до збільшення коефіцієнта бокового тиску до k 0,9, а при маємо . Таким чином, отриманий вираз переходу сипучого в квазірідкий стан дає можливість при k = 1 одержати максимальне збіль-

шення горизонтального тиску ргq на стіни в кільцевій області, що за величиною дорівнює вертикальному тиску .

Крім того, розглянута умова рівноваги кільцевої області висотою z з зовнішнім і внутрішнім радіусами r2 і r1 під дією вертикальних стискаючих рвк, горизонтальних рr і p і сил тертя по горизонтальних площадках у граничному стані переміщення сипучого в горизонтальному напрямку. Отримано диференційне рівняння, розвязання якого щодо горизонтального тиску сипучого матеріалу на контакті зі стінкою силосу має вигляд

. (8)

З рівняння (8) випливає, що при і тоді , тобто отримано аналогічний результат підвищення горизонтального тиску.

Напружений стан сипучого матеріалу на третій стадії руху не має практичного інтересу, тому що процес витікання наближається до завершення, рівень засипки знижується, а тиск на стіни падає.

Для остаточних висновків про відповідність запропонованої фізичної моделі витікання і формування тиску сипучого матеріалу на стіни силосів реальним умовам обгрунтована постановка, розроблена методологія і проведені експериментальні дослідження:

- на моделях силосів з оргскла з різними сипучими матеріалами (пісок, щебінь, вугілля, керамзит, клінкер); реєструвалися тиски сипучого матеріалу за допомогою тензометрованих месдоз і його переміщення усередині масиву;

- у натурних умовах на кутовому силосі залізобетонного зернового елеватора в м. Гадячі Полтавської області (висота силосу 30 м, діаметр 6 м, розташування розвантажувального отвору центральне); реєстрацію тисків по двох твірних за висотою і на двох рівнях у плані здійснювали месдозами акустичного типу, вели спостереження за зміною форми поверхні засипки в процесі розвантаження;

- у натурних умовах на силосі для руди після першої стадії дроблення збагачувальної фабрики Лебединського ГЗК (висота силосу 14,7 м, внутрішній діаметр 11,0 м, розташування розвантажувального отвору центральне); тиск руди на стіни визначали не прямим методом, а за допомогою розрахункового аналізу напружено-деформованого стану оболонки з наступним порівнянням дослідних і розрахункових кільцевих деформацій стін на двох рівнях за висотою.

З використанням стандартних методів і спеціально розроблених методик були досліджені:

- фізико-механічні характеристики сипучих матеріалів, що застосовувалися в експериментах;

- особливості переміщення шарів і руху сипучого матеріалу усередині ємкості в залежності від співвідношення геометричних розмірів силосів та технологічних режимів експлуатації;

- якісний і кількісний розподіл горизонтальних тисків сипучого матеріалу на стіни ємкостей при різних режимах експлуатації і їхній взаємозв'язок з особливостями руху сипучого усередині ємкостей на різних стадіях розвантаження;

- тиск сипучого матеріалу усередині масиву в зоні дилатансії та у кільцевій області максимальних горизонтальних тисків.

Проведений комплекс експериментальних досліджень підтвердив теоретичні передумови силової взаємодії сипучого тіла з оболонкою та усередині масиву, що відповідають запропонованій фізичній моделі витікання і формування горизонтального тиску на стіни ємкостей.

При позацентровому вивантаженні сипучих матеріалів з відносним ексцентриситетом е, що представляє відношення відстані від центра силосу до центра випускного отвору до радіуса силосу і задовольняє умові u, де еu - значення граничного відносного ексцентриситету, при перевищенні якого витікання варто віднести до позацентрового, кінематика руху сипучого усередині ємкості істотно змінюється. У відносно низьких силосах ( на поверхні засипки утворюється лійка витікання, зміщена убік розташування випускного отвору, відбувається інтенсивний пристінний рух, потік якого поповнюють маси сипучого матеріалу з центральної частини об’єму. Подібна картина спостерігається і у високих ємкостях.

У процесі обстеження силосів для гарячого клінкеру було встановлено інтенсивне руйнування залізобетонних стін із внутрішньої сторони в зоні згаданого пристінного руху сипучого тіла. Для обґрунтування взаємозв'язку двох явищ сформульована гіпотеза впливу відносного ексцентриситету позацентрового розвантаження гарячого сипучого матеріалу на формування підвищеного нагрівання стін силосів, що полягає в наступному. Описана вище особливість руху при позацентровому розвантаженні, для випадку гарячого сипучого матеріалу, приводить до ефекту підвищеного нагрівання стін на прилеглих до випускного отвору твірних за рахунок механічного теплопереносу. Переміщуючись від центра до периферії, гарячий сипучий матеріал вступає в нові контакти з уже нагрітою стіною і температура її поверхні підвищується в 2-3 рази стосовно статичного стану при завантаженні. При вираженій нелінійності епюри розподілу температури за перерізом стіни з максимумом на внутрішній її поверхні в бетоні виникають температурні стискаючі напруження, що перевищують межу його міцності на стиск. Захисний шар руйнується, кільцева робоча арматура стін внутрішнього ряду оголюється, втрачає зв'язок з перерізом стіни силосу, провисає та обривається.

Абсолютну температуру в точці дотику сипучого матеріалу зі стінкою силосу при п-разовому контакті рекомендується визначати за формулою

, (9)

де - відповідно температура на контакті стичних тіл, температура завантажуваного сипучого і температура стіни перед завантаженням.

Для відносної температури нагрівання внутрішньої поверхні стіни отримана залежність

. (10)

де - відносна температура нагрівання при одноразовому

контакті тіл;

- коефіцієнт теплової активності контактуючих сере-

довищ;

- відповідно коефіцієнти теплопровідності, теплоємкості та

густина сипучого матеріалу;

- те ж для матеріалу стіни.

Кількість контактів п залежить від величини відносного ексцентриситету (еu ) розташування випускного отвору, геометричних характеристик ємкості (відношення висоти до діаметра), а також технологічних особливостей роботи силосу в умовах простого розвантаження або проточного режиму.

Граничний відносний ексцентриситет позацентрового розвантаження отримано на підставі розгляду запропонованої розрахункової схеми витікання сипучого матеріалу із залученням кута нахилу площини ковзання і кута внутрішнього тертя сипучого матеріалу

. (11)

Кут нахилу площини ковзання сипучого визначається з умови рівноваги шару сипучого матеріалу при його зміщенні від поверхні стіни до центра ємкості

. (12)

Спільне розвязання (11) і (12) приводить до виразу

. (13)

Для визначення кількості контактів гарячого сипучого матеріалу зі стінкою запропоновано емпіричну залежність

, (14)

де - дослідний коефіцієнт;

- параметр, що враховує відхилення геометричних розмірів ємкості від

досліджуваних і режим роботи силосів.

Для порівняння розрахункових значень температури нагрівання стін силосів при позацентровому розвантаженні гарячого сипучого матеріалу з експериментальними даними і визначення дослідних коефіцієнтів проведені дослідження на моделях і в натурних умовах:

- кінематика руху сипучого матеріалу при позацентровому розвантаженні вивчена на моделях з оргскла, що можуть розєднуватися;

- якісна сторона ефекту підвищення тиску досліджена на моделі, виконаній з піщаного бетону; температуру нагрівання стіни на контакті із сипучим матеріалом вимірювали хромель-копелєвими термопарами в чотирьох точках на найближчій до випускного отвору твірній та у двох точках на віддаленій твірній;

- кількісна сторона явища підвищеного нагрівання залізобетонних стін ємкостей вивчалася на натурних силосах для гарячого клінкеру (табл. 1).

Таблиця 1 - Результати експериментальних досліджень

№ | Си- | , | , | Просте розвантаження

п/п | Об'єкт | е | лос,

№ | 0С | 0С | ,

0С

1 | Балаклійский

ЦШК | 0,71 | 5 | 260 | 30 | 150 | 0,51 | 2,43 | 4,04

2 | Цемзавод“

Пролетарій”

АТ “Новорос-цемент” | 0,52 | 2 | 150 | 28 | 79 | 0,44 | 2,0 | 5,75

3 | АТ “Оскол-

цемент” | 0,71 | 13 | 82 | 16 | 50 | 0,56 | 2,8 | 5,08

4 | АТ “Оскол-

цемент” | 1,0 | 13 | 105 | 22 | 93 | 0,83 | 6,05 | 7,72

Середнє значення =5,65

Для порівняння результатів експериментів використані відносні значення температури нагрівання стін у точці контакту клінкер - залізобетонна стіна силосу. Дослідні значення кількості контактів , відносної температури нагрівання і параметра А0 визначали за розробленим алгоритмом з урахуванням залежностей:

; ; . (17)

Результати досліджень на моделях силосів і в натурних умовах якісно збіглися. Підтверджена наявність підвищеного нагрівання та інтенсивного руйнування стін, встановлена ідентичність розміщення зон інтенсивного пристінного руху сипучого на моделях силосів і зон руйнування поверхні стін із внутрішньої сторони на силосах для гарячого клінкеру різних цементних заводів.

Розподіл температури нагрівання стін за периметром і висотою ємкостей нерівномірний. Максимальне нагрівання стін зафіксоване на прилеглій до випускного отвору твірній на висоті 6-7 м від підсилосної плити. Як і передбачалося, найбільш несприятливим з погляду формування температурних впливів виявився проточний режим, а також розвантаження клінкеру через бічні отвори в стінах.

Крім нагрівання стін силосів гарячим сипучим матеріалом розглянуто питання про додатковий тиск сипучого матеріалу на стіни ємкостей при добових коливаннях температури зовнішнього повітря. Аналіз напружено-деформованого стану системи масив сипучого - оболонка виконаний із залученням наступних передумов: у процесі добових коливань температура масиву сипучого зберігається постійною, а середня температура за перерізом стіни знижується на величину ; матеріал оболонки і сипуче працюють пружно, а виділена двома горизонтальними площинами ділянка системи віддалена від верха засипки на відстань, при якій взаємний зсув на контакті з оболонкою відсутній.

З умов рівноваги й умов спільності деформацій по вертикальному і радіальному напрямках, урахування вільних температурних деформацій оболонки, представлення зв'язку між напруженнями і деформаціями на підставі узагальненого закону гука для плоского напруженого стану стосовно до ділянки оболонки і для тривимірного стану стосовно масиву сипучого матеріалу, зі спільного рішення отримано залежність для додаткового за рахунок температури тиску рt на стінку оболонки

, (16)

де - коефіцієнт температурної деформації матеріалу оболонки;

- відповідно модулі пружності сипучого матеріалу і матеріалу

оболонки;

- площі горизонтальних перерізів відповідно для масиву засип-

ки й оболонки;

- товщина стінки оболонки;

, - безрозмірні коефіцієнти;

- коефіцієнти поперечної деформації відповідно у вертикальному напрямку для матеріалу оболонки і для сипучого матеріалу та у тангенційному напрямку для матеріалу оболонки і для сипучого матеріалу.

При послідовному спрощенні прийнятих допущень залежність (16) трансформується у відомі формули, отримані О.Таймером, А.В.Ерьоміним, А.В.Бурсіаном, М.Кельнером.

Щодо роботи залізобетонних стін силосів із тріщинами уздовж твірних, оболонка знаходиться в квазіодновісному напруженому стані, що еквівалентно обертанню в нуль коефіцієнтів v і v. У цьому випадку

. (17)

Урахування особливостей нелінійного деформування залізобетонних стін силосів із тріщинами виконано із залученням коефіцієнта S за залежністю

(18)

і використання приведеного січного модуля деформації арматури

, (19)

що враховує спадаючу гілку діаграми . Процедура розрахунку додаткового температурного тиску грунтується на ітераційному процесі з урахуванням суперпозиції силових і температурних за формулою (17) впливів.

Деформативність для загального випадку навантаження розтягнутих залізобетонних стін силосів у практичних задачах описується за допомо-

гою функції , що являє суперпозицію короткочасного, багаторазово повторного і тривалого навантажень

, (20)

де - функція багаторазово повторного на-

вантаження;

- функція тривалості дії наван-

таження;

- гранично можливе відносне збільшення коефіцієнта , введена

В.М.Бондаренком;

- відповідно частота і гранична частота повторення навантажен-

ня;

0 - характеристика циклу;

- кількість циклів навантаження;

- дослідні коефіцієнти.

При розгляді принципів надійності і характеристики відказів у залізобетонних силосах установлені найбільш розповсюджені з них, а також причини, що їх викликали: низький ступінь вірогідності розрахункових навантажень, невдалі конструктивні рішення і схеми прикладення навантажень, незадовільна якість виконання робіт при зведенні, вплив температурних, корозійних і ударно-стираючих дій. Відкази згруповані за зазначеними ознаками, а в силосах для гарячого клінкеру виконано аналіз і з урахуванням ступеня пошкодження стін з внутрішньої сторони ємкостей. На фотографіях (рис. 5 і 6) представлені характерні руйнування залізобетонних стін силосів для гарячого клінкеру. Оголення кільцевої робочої арматури внутрішнього ряду на локальних ділянках за висотою і наступне її виключення з роботи на розтяг приводить до зниження несучої здатності стін.

Відповідно до вказівок СН 302-65 несуча здатність стіни силосу визначається в припущенні її роботи як кільцевого елемента та епюри зусиль, що характеризують несучу здатність перерізів при перемінному за висотою силосу армуванні, має ступінчастий характер. У дійсності, стосовно до роботи стін силосов як оболонок ця епюра повинна змінюватися плавно при переході від однієї зони армування до іншої.

Функція зміни несучої здатності за висотою має плавний вигляд, стрибки відсутні.

Аналогічний підхід використано при оцінці