Расчет строительных конструкций сооружений горно-обогатительных комбинатов

Архангельский Д.В., главный специалист сектора конструктивных решений, архитектурно-строительный отдел АО "Иргиредмет"

Горно-обогатительные комбинаты – это сложные промышленные объекты, требующие тщательного подхода к проектированию и строительству. Современная горнодобывающая промышленность предъявляет высокие требования к эффективности и безопасности обогатительных фабрик. В связи с этим расчет строительных конструкций и их оснований является важной задачей, обеспечивающей надежность и устойчивость эксплуатации.

Расчет строительных конструкций

Современные методы расчета строительных конструкций объединяют в себе теоретические принципы механики и возможности компьютерного моделирования, в частности метода конечных элементов (МКЭ).

МКЭ позволяет разбить конструкцию на множество мелких элементов, для каждого из которых решается система уравнений. Этот метод широко применяется в современных программных комплексах (ПК) и является ключевым инструментом численного анализа конструкций, позволяя с высокой точностью и быстротой определять их напряженно-деформированное состояние, проверять прочность, устойчивость, деформации, колебания, образование трещин и другие характеристики без дорогостоящих и длительных физических испытаний.

Проверка несущей способности элементов, составляющих конструкцию, осуществляется в ПК путем расчета по предельным состояниям. В терминологии ГОСТ 27751-2014 "Надежность строительных конструкций и оснований" предельное состояние – это состояние строительного объекта, при превышении характерных параметров которого эксплуатация строительного объекта недопустима, затруднена или нецелесообразна.

Различают следующие группы предельных состояний строительных объектов:

• предельные состояния, превышение которых ведет к потере несущей способности строительных конструкций и возникновению аварийной расчетной ситуации;
• предельные состояния, при превышении которых нарушается нормальная эксплуатация строительных конструкций, исчерпывается ресурс их долговечности или нарушаются условия комфортности.

Кроме того, выделяют предельные состояния, превышение которых приводит к разрушению сооружений с катастрофическими последствиями. Такие состояния возникают при особых экстремальных воздействиях и аварийных расчетных ситуациях, например при развитии неупругих деформаций и повреждений.

Основным условием обеспечения надежности любых строительных объектов является соответствие установленным критериям для всех учитываемых предельных состояний при действии наиболее неблагоприятных сочетаний расчетных нагрузок в течение предполагаемого срока службы.

В расчете необходимо строго соблюдать требования множества нормативных документов к прочности, устойчивости, долговечности и безопасности строительных конструкций. К числу ключевых стандартов, которые при комплексном расчете сложного сооружения и основания часто применяются параллельно, относятся:

• ГОСТ 27751 "Надежность в строительстве. Основные положения".
• СП 20.13330 "Нагрузки и воздействия".
• СП 14.13330 "Строительство всейсмических районах".
• СП 16.13330 "Стальные конструкции".
• СП 22.13330 "Основания зданийи сооружений".
• СП 26.13330 "Фундаменты машин с динамическими нагрузками"
• СП 63.13330 "Бетонные и железобетонные конструкции. Основные положения".
• СП 296.1325800 "Здания и сооружения. Особые воздействия".
• СП 385.1325800 "Защита зданийи сооружений от прогрессирующего обрушения".

Данный перечень не является исчерпывающим. В зависимости от типа сооружения, его конструкций, условий эксплуатации и других факторов на этапе расчета могут применяться дополнительные нормативные документы

Сбор, анализ и применение исходных данных

Прежде чем приступать к расчету любого здания или сооружения, необходимо собрать и проанализировать исходные данные о геологических условиях, сейсмической активности, климате, специфике процесса обогащения.

Геологические условия, такие как инженерно-геологическое строение площадки, тип и физико-механические характеристики грунтов, наличие специфических грунтов (например, просадочных, насыпных, пучинистых), глубина промерзания, уровень грунтовых вод, оказывают значительное влияние на способность оснований сопротивляться нагрузкам, передаваемым фундаментами и техникой.

Проектирование оснований и фундаментов с использованием расчета выполняется в комплексе и является основным способом обеспечения надежности. Взаимодействие рассчитывается построением системы "сооружение-основание" или "фундамент-основание" (по СП 22.13330).

В расчете системы "сооружение-основание" учитывается взаимодействие сооружения с грунтом. Этот метод позволяет минимизировать риски, связанные с осадками, деформациями грунта и другими геотехническими факторами, обеспечивая надежность и долговечность конструкции. Современные средства ПК дают возможность выполнять подобный расчет с высокой скоростью и в соответствии с нормативной документацией.

Используя данные инженерногеологических изысканий по площадке строительства, возможно построить пространственную модель грунта, например, в системе "ГРУНТ", с учетом рельефа дневной поверхности. Модель может быть использована для расчета параметров жесткости грунтового и свайного оснований любых зданий и сооружений.

Результатом расчета является проверка несущей способности грунтов основания, сложенных скальными, насыпными, дисперсными связными и несвязными грунтами в различном состоянии. В случае необходимости проверяются подстилающие грунты.

Модель грунтового массива: количество скважин – 23; показан геологический разрез по скважинам 4–6

Климатические условия – снег, ветер, температурные колебания и гололедные нагрузки – также играют важную роль при проектировании.

Ветровые нагрузки не только создают горизонтальное давление на сооружение, но и могут вызывать значительные динамические воздействия, особенно на высокие здания и конструкции. Эти воздействия проявляются в виде пульсаций, резонансных вихревых возбуждений и других эффектов.

При расчете несущих элементов покрытия определяющим фактором часто являются снеговые нагрузки. Нередко обрушение части здания или даже полное его разрушение происходит из-за накопления снеговых масс, которое становится основной или единственной причиной аварии.

Температурные колебания могут вызывать значительные внутренние напряжения в некоторых сооружениях, а учет гололедных нагрузок важен при расчете кабельных эстакад, молниеотводов, линий электропередачи.

В регионах с высокой сейсмической активностью необходимо учитывать сейсмические нагрузки, которые могут привести к существенным деформациям и повреждениям зданий.

При расчете для сооружений повышенного уровня ответственности необходимо учитывать две ситуации: расчетное землетрясение и контрольное землетрясение.

Для расчетного землетрясения достаточно использовать линейно-спектральный метод (ЛСМ). В нем значения сейсмических нагрузок определяются по спектрам ответа в зависимости от частот и форм собственных колебаний конструкции. При расчете по ЛСМ необходимо установить интенсивность землетрясения в баллах, категорию грунта по сейсмическим свойствам, собрать массы в узлы схемы от вертикальных нагрузок.

График коэффициента динамичности ß, используемый при расчете по ЛСМ

Расчет на контрольное землетрясение проводится с применением динамического метода анализа, в котором воздействие задается в форме акселерограмм колебаний грунта в основании сооружения путем численного интегрирования уравнений движения. Акселерограмма – это график изменения ускорения грунта во времени при сейсмическом воздействии.

Примеры графиков акселерограмм

В связи с учетом сейсмических нагрузок усиливаются требования к инженерным изысканиям для сооружений повышенной ответственности – возникает необходимость выполнения сейсмического микрорайонирования территории строительства с подготовкой данных для построения синтезированных акселерограмм.

Процесс обогащения требует создания особых условий для работы оборудования, погрузочной и разгрузочной техники, хранения материалов.

К оборудованию и технике горнообогатительного комбината (ГОК) относятся дробилки, мельницы, грохоты, концентрационные столы, центробежные концентраторы, сгустители, машины для футеровки мельниц, конвейерный транспорт, крановое внутрицеховое оборудование, карьерные автосамосвалы, бульдозеры, экскаваторы, вилочные погрузчики на складах и другие устройства. Они могут оказывать значительное воздействие на строительные конструкции и основания фундаментов.

Складирование больших объемов руды в совокупности с движением техники создает дополнительные нагрузки на основания фундаментов, подпорные стены и заглубленные сооружения.

Нередкое явление на ГОКе – высокие подпорные стены, поддерживающие грунт, что само по себе уже является значительной нагрузкой. Эти стены должны быть рассчитаны на горизонтальное давление грунта обратной засыпки и дополнительное давление внешней нагрузки от погрузчиков, автосамосвалов и складированной руды.

Динамические нагрузки от оборудования способны вызвать различные деформации и повреждения, усталостные разрушения в металлоконструкциях, бетонных элементах и соединениях. Особенно уязвимыми в этом плане являются сварные соединения. В результате со временем несущие конструкции, колонны, балки и фермы могут потерять часть своей несущей способности.

На практике при расчете сооружений на динамические нагрузки зачастую нет необходимости устанавливать характер движения конструкции и определять внутренние усилия в любой момент действия нагрузки. Как правило, требуется определить максимальные перемещения и усилия в элементах. Делается это посредством упрощенного квазистатического расчета, то есть с помощью установленных в нормах или вычисленных коэффициентов динамичности.

Такой подход чаще всего используется при расчете монолитных фундаментных конструкций под оборудование, что в полной мере соответствует требованиям нормативной документации, например СП 26.13330 "Фундаменты машин с динамическими нагрузками". Расчет массивных, рамных и стенчатых фундаментов под мельницы, дробилки и другое оборудование сводится к определению наибольшей амплитуды горизонтальных колебаний верхней грани фундамента и прочности фундамента и основания.

Ввиду особенностей технологии обогащения оборудование, в том числе с горизонтальными инерционными силами, иногда размещается на верхних ярусах площадок на металлических конструкциях. Они обладают упругими свойствами, что осложняет выполнение требований по ограничению предельных колебаний и вибраций, воздействующих на персонал, и повышает вероятность возникновения эффекта резонанса. В такой ситуации требуется дополнительно учесть в расчете динамические нагрузки и эффекты, а также использовать оборудование с эффективной виброизоляцией.

Для учета динамических эффектов применяются методы динамического анализа. Они позволяют определить собственные частоты колебаний конструкций и исключить их совпадение с частотами вибраций оборудования – резонанс, который может привести к многократному усилению вибраций и потенциальному повреждению сооружений.

Прогрессирующее обрушение

Как сказано ранее, основная масса сооружений на обогатительном производстве – это сооружения повышенного уровня ответственности. Одним из ключевых требований нормативной документации к ним является учет возможности возникновения прогрессирующего обрушения конструкций, которое может привести к катастрофическим последствиям.

Прогрессирующее, или лавинообразное обрушение – это последовательное (цепное) разрушение несущих строительных конструкций, приводящее к обрушению всего сооружения или его частей вследствие начального локального повреждения. Его причиной может быть множество аварийных ситуаций, которые не рассматриваются в обычном проектировании:

• нарушение нормативных требований и отступление от проектных решений при выполнении строительно-монтажных работ;
• низкое качество строительныхматериалов конструкций и изделий;
• недостатки и ошибки проектных решений;
• нарушения правил выполнения строительно-монтажных работ в зимнее время;
• нарушения правил эксплуатации зданий и сооружений;
• превышение расчетных нагрузок.

Устойчивость здания к прогрессирующему обрушению проверяется расчетом на особое сочетание нагрузок и воздействий, включая постоянные и временные длительные нагрузки, а также на воздействие гипотетических локальных разрушений несущих конструкций, которое моделируется путем удаления несущего элемента из первичной расчетной схемы с дальнейшим расчетом вторичной схемы. Если рассматривается сценарий мгновенного удаления элемента, то расчет на защиту от прогрессирующего обрушения выполняют динамическим или квазистатическим методом.

Рассчитать вероятность той или иной аварийной ситуации невозможно, но можно уменьшить потери при ее возникновении. Это достигается как косвенными мерами, направленными на недопущение внешних воздействий, так и конструктивными мероприятиями, например, чтобы перераспределить усилия с элемента после его разрушения.

Научно-техническое сопровождение

Одним из заключительных этапов проектирования зданий повышенного уровня ответственности является научно-техническое сопровождение (НТС). Без него проект не пройдет ни одну государственную экспертизу, а заказчик не получит разрешение на строительство.

На этапе НТС должен быть выполнен альтернативный расчет несущей системы и основания с использованием независимо разработанных программных средств. Полученные результаты сопоставляются с результатами основного расчета, проверяется его точность, проводится сравнительный анализ расчетных схем и полученных данных.

В итоге дополнительно к основному расчету силами сторонней организации, привлекаемой заказчиком, выполняется практически весь комплекс работ, связанный с расчетом. Основной и альтернативный (поверочный) расчеты должны выполняться в различных ПК и пройти государственную экспертизу.

Заключение

Следует подчеркнуть, что правильный расчет зданий и сооружений является неотъемлемой частью обеспечения безопасности и надежности производственного процесса. Комплексный подход, учитывающий специфику переработки сырья, технологическое воздействие, геологические и климатические условия и действующие нормативные документы, позволяет создать прочные и долговечные конструкции, способные выдерживать эксплуатационные нагрузки на протяжении всего срока службы.

Использование современных средств, включая специализированное программное обеспечение и численные методы, повышает точность прогнозирования поведения конструкций и минимизирует риски возникновения аварийных ситуаций. Экономическая эффективность проекта также напрямую зависит от оптимизации конструктивных решений, достигаемой благодаря расчету.

В конечном счете инвестиции в качественное проектирование и расчет окупаются бесперебойной работой комбината, минимизацией затрат на ремонт и обслуживание, а также гарантией безопасности персонала и окружающей среды.

"ЗОЛОТОДОБЫЧА" № 11 (312), НОЯБРЬ 2024 ГОДА

© АО "Иргиредмет", 2024