Consolidarea structurii de sustinere a Reactorului de Cracare Catalitica din cadrul Rafinariei Petrobrazi Ploiesti (II)

(Continuare din numarul anterior)

SOLUTIA DE CONSOLIDARE A STRUCTURII

Solutia de consolidare implica:

• Crearea unor elemente de tip “saiba rigida” in plan orizontal (fig. 12), care, momentan, nu exista, pentru a uniformiza transmiterea efor­­turilor orizontale la stalpi. Intrucat nu se pot dispune in interior (din cauza existentei reactorului), aceste elemente se vor monta in exteriorul structurii, la fiecare nivel de grinzi principale ale structurii.
• Consolidarea stalpilor (fig. 13, fig. 14) prin sudare de tole din otel cu grosimi 30-50 mm.
• Inlocuirea grinzilor existente cu grinzi mult mai rigide – IPE 600 (fig. 15), conectate cu stalpii consolidati prin imbinari / noduri rigide, grinzi care sa fie capabile sa stabilizeze stalpii pentru a impiedica flambajul acestora, flambaj specific cadrelor cu noduri deplasabile.
• Se creeaza, astfel, un sistem structural de tip “moment-frame”.
• Diagonalele structurii s-au pastrat pe pozitiile lor initiale, dar s-au inlocuit cu altele, cu sectiune adaptata corespunzator la eforturile care trebuie preluate conform analizelor structurale (Tv 180x180x10).
• Noile diagonale nu vor fi continue (din nod – in nod) ci vor fi intrerupte. In zona de intrerupere se vor monta amortizori vascosi (pe lungimea diagonalei) – (fig. 10).
• Interventii locale la nivelul fundatiilor si aparatelor de fixare ale stalpilor metalici in fundatii.
• Masa aditionala, montata la cota +36,27, se va demonta si se va evacua (impreuna cu amortizorii vasco-elastici care conecteaza aceasta masa cu structura).

NOTA: Stalpii celulei scarii si liftului necesita si ei unele consolidari, insa de mult mai mica amploare si, pentru evidentierea mai buna a interven­tiilor majore, acestea nu au mai fost aratate in figura 13.

Consolidarea stalpilor celulei reactorului presupune chesonarea lor prin adaugarea de table sudate (fig. 14). Grinzile celulei reactorului se vor inlocui cu grinzi cu sectiune IPE-600 sau echivalente ca rigiditate si rezistenta (fig. 15).

Sectiunea critica de fundatie, dintre reactor si rege­nerator, se va putea consolida prin adaugarea de lamele din fibra de carbon la partea superioara (solicitarea cri­tica este cea de incovoiere prin care fibra superioara a fundatiei este intinsa; pentru solicitare de incovoiere in sens opus – cu fibra superioara a fundatiei comprimata).

Toate modificarile de noduri, gusee etc. au presupus operatiuni de sudare pe santier.

Conform reglementarilor Rafinariei Petrobrazi si legis­latiei in vigoare, pentru astfel de platforme industriale, protectia la foc a elementelor structurale este obligatorie pana la inaltimea de minimum 6 m sau doua niveluri. Din acest motiv, dar si pentru asigurarea unei rigiditati suficiente la actiunea vantului, nu s-au dispus amortizori vascosi pe primele doua niveluri. La primele niveluri ale structurii s-a pastrat sistemul zabrelit, cu diagonale “clasice”, dimensionat in domeniul elastic de comportare.

SCENARIUL DE LUCRU SI ETAPELE DE CALCUL

Solutia cu amortizori vascosi a permis ca structura consolidata sa fie verificata in domeniul elastic. S-a adop­tat un factor de comportare q = 1,5 (comportare elastica), ce implica asigurarea ca restul elementelor structurale nu vor suferi deformatii plastice sau degra­dari semnificative.

Intoducerea amortizarii vascoase suplimentare este o problema inginereasca cu grad ridicat de dificultate.

Se pune intrebarea initiala – „Care este necesarul de amortizare pentru a putea satisface dezideratele cerute?”

ETAPA I – ANALIZA SPECTRALA CU DETERMINAREA AMORTIZARII TINTA

S-au realizat initial analize spectrale, iterativ, utilizand spectre de raspuns scalate la diferite valori ale fractiunii din amortizarea critica, pentru determinarea valorii care conduce la rezultate favorabile si stabilirea, astfel, a unei amortizari tinta.

Comentariu: La momentul semnarii contractului de proiectare si realizarii proiectului, codul seismic in vigoare era P100-1/2006.

Dupa mai multe iteratii s-a determinat faptul ca amortizarea tinta, pentru a putea satisface cerintele din tema, trebuie sa se situeze intre 20%-25%.

Comentariu: Valoarea amortizarii tinta determinata in stadiile de inceput ale proiectului a fost stabilita la 25%, dar, pe parcursul desfasurarii proiectului, ne-au fost comunicate o serie intreaga de incarcari suplimentare, de date si informatii care au fost implementate, in consecinta, in model. Totodata, pe masura ce s-au efectuat iteratii de analiza, s-a realizat si modelarea treptata a sectiunilor consolidate ale structurii metalice. Intr-o faza finala a analizelor spectrale, valoarea tinta a fractiunii din amortizarea critica a fost de 20%.

NOTA: pentru structura consolidata au rezultat perioadele proprii fundamentale de vibratie T1 = 1,88 s, T2 = 1,75 s. 

ETAPA II – ANALIZA DE TIP TIME HISTORY NELINIAR MODAL

A urmat, apoi, rafinarea modelului si designul efectiv al sectiunilor necesar a fi consolidate, utilizand, in paralel, atat rezultatele analizelei spectrale cat si analiza de tip Time History Modal (cunoscuta si ca Fast Nonlinear Analysis – FNA).

In aceasta etapa, pentru analizele dinamice s-au folosit 3 seturi de accelerograme gene­rate artificial.

S-au stabilit pozitiile amortizorilor pe structura si s-au determinat, estimativ, constantele de amortizare necesare, conform metodologiei FEMA 356, dupa care s-a incarcat constructia cu input de tip accelerograme compatibile cu spectrul elastic de amplasament (pentru situatia actuala s-a utilizat spectru elastic cu amortizare elastica 2%).

Forta din amortizori este data de ecuatia F = C × va in care:

• C reprezinta constanta de amortizare
• v reprezinta viteza relativa intre capetele amortizorului
• a reprezinta exponentul amortizarii. Pentru cazul a = 1 se considera o amortizare liniara, in timp ce pentru a¹ 1 se considera o amortizare neliniara.

Pe baza calculelor de predimensionare, s-au stabilit valorile constantei de amortizare pentru amortizori liniari. Ulterior, aceasta a fost convertita in valoarea afe­renta amortizorilor neliniari si a fost ajustata in urma mai multor pasi de analiza.

S-a operat cu un exponent al amortizarii „a“ folosit de producatorii europeni: „a“ = 0,15.

ETAPA III – ANALIZA DE TIP TIME HISTORY NELINIAR – INTEGRARE DIRECTA

A urmat, apoi, etapa de rafinare a modelului, de verificari finale de detaliu si de completare a analizelor dinamice cu inca 4 seturi de accelerograme artificiale, folosindu-se, deci, in final, 7 seturi de accelerograme. Totodata, in aceasta etapa, s-au realizat si analize dinamice neliniare de tip direct-integration (foarte mari consumatoare de timp de analiza).

S-a plecat de la structura dimensionata si configurata in etapa II, cu inputul artificial descris mai sus, dupa care s-a facut verificarea efectiva a structurii de rezistenta in termeni de verificari de rezistenta si deformabilitate.

In final, dupa rafinarea calculelor, utilizand maximul a sapte accelerograme sintetice, au rezultat urmatorii para­­metri pentru amortizorii vascosi:

Toate accelerogramele generate au fost compatibile cu spectrul de raspuns elastic, conform P100/1-2006 (fig. 19).

ETAPA IV – VERIFICAREA AMORTIZARII GLOBALE IN STRUCTURA

Ca o ultima verificare si confirmare a solutiei, s-a calculat amortizarea globala rezultata in structura:

unde W_D si W_S sunt reprezentate in figura 20. 

Considerand un sistem cu “N” gra­de de libertate dina­mica, fractiunea din amortizarea critica a sistemului se poate defini ca:

x_ef = x₀ + x_d        (8)

unde x₀ este fractiunea de amortizare a sistemului NGLD fara amortizori si x_d este fractiunea de amortizare ce revine amortizorilor adaugati.

Amortizarea vascoasa adaugata a rezultat:

Amortizarea totala ca fractiune a amortizarii critice: x = 2% + x_D = 19%.

Comentariu: Amortizarea tinta a fost de cca. 20% fractiune din amortizarea critica si s-a atins o valoare de cca. 19%. Aceasta nu trebuie, insa, interpretata ca o va­loare exacta, ci ca o indicatie asupra nivelului global de amortizare.

Cateva rezultate ale analizelor structurale

In urma consolidarii, greutatea constructiei se modifica – fata de situatia actuala din teren – conform tabelului 2.

Figurile 27 si 28 prezinta Comportarea amortizorilor vascosi (exemplificare pentru 1 amortizor).

S-au dispus, in total, 17 amortizori vascosi (8 pe directia longitudinala si 9 pe directia transversala).

Urmatorii parametri au rezultat pentru amortizori (s-a operat cu un exponent al vitezei „a“ = 0,15):

• Forta maxima:

deplasare amortizor (stroke) s = ±50 mm;

• Viteza maxima:

constanta de amortizare C = 350 kN (s/m)0,15

Cateva detalii din proiect sunt prezentate in figura 29.

Teme de cercetare in curs

In paralel cu analizele aferente situatiei seismice s-au realizat si analize statice liniare pentru incarcari static echivalente din vant. Fiind un calcul static liniar, nu s-a putut conta pe amortizori si nu s-a putut cuantifica aportul lor real si la actiunea vantului. De fapt, verificarile de rezistenta si deplasari din vant s-au facut pe structura considerata ca sistem “moment-frame” fara amortizori.

La ora actuala, aspectele legate de efectul amortizorilor vascosi de limitare a deplasarilor laterale, din actiunea vantului ca actiune dinamica sunt inca in analiza intr-un proces amanuntit de cercetare in cadrul biroului nostru, in colaborare si cu ajutorul unei echipe de consultanti formata din prof. dr. Federico Perotti si prof. asist. dr. Luca Martinelli, din cadrul Politehnicii din Milano – Catedra de Statica, Dinamica si Teoria Structurilor. Le multumim pe aceasta cale pentru implicarea in proiect si suportul acordat.

Concluzii

S-a verificat structura de rezistenta care sustine reactorul, tinand cont de sporul de greutate adus de modificarea acestuia.

S-au analizat diverse solutii de consolidare a structurii astfel incat sporul de incarcari gravitationale sa poata fi preluat de structura, dar mai ales sa fie asigurat un nivel suficient de siguranta a structurii de sustinere a reactorului la actiuni seismice. Prin “suficient” se  intelege “in acord cel putin cu nivelul de performanta impus de normele in vigoare, ca prag minimal”.

S-a evaluat impactul pe care modificarile propuse il vor avea asupra acestei structuri, gradul de asigurare la risc seismic al structurii, care va fi incarcata cu fortele transmise de noul reactor (modificat), dar si comporta­rea structurii sub actiunea vantului.

Ca abordare, data fiind importanta deosebita a obiectivului, precum si cerinta Clientului de a se obtine – prin masuri de consolidare – o constructie cu o durata de viata de 50 de ani (ca o constructie noua), s-a considerat absolut necesar ca, prin solutia de consolidare, sa se obtina incadrarea constructiei in Clasa de Risc Seismic IV, cu un indicator R3³1.

Au fost analizate diverse metode si solutii de interventie si reabilitare seismica. In urma analizelor a rezultat ca singura solutie posibila (atat din punct de vedere teoretic cat si practic) de reabilitare si consolidare a structurii este de a ii spori amortizarea (prin introducerea de amortizori vascosi), concomitent cu modificarea partiala a sistemului structural dintr-unul de tip “zabrelit” / contravantuit, in unul de tip cadre cu noduri rigide (“moment frame”). In acelasi timp, stalpii structurii vor fi consolidati prin adaugarea de tole metalice, iar grinzile fie vor fi consolidate in mod similar, fie vor fi inlocuite cu unele noi, mult mai rigide, astfel incat sa asigure stabilitatea cadrului.

S-a vizat si s-a obtinut o amortizare globala (fractiune din amortizarea critica) de cca. 20%.

Structura de otel a fost dimensionata astfel incat sa ramana in domeniul elastic de comportare (q = 1,5).

Solutia conduce la efecte extrem de benefice, nu numai din punct de vedere al posibilitatilor de consolidare la fata locului, ci si din punct de vedere al efectului asupra fundatiilor existente, acolo unde posibilitatile de interventie erau extrem de limitate.

La nivelul fundatiilor s-a realizat o interventie cu nivel scazut de dificultate din punct de vedere practic.

La momentul publicarii prezentului articol, lucrarile de executie sunt in curs de desfasurare.

Bibliografie

• Betea Stefan, Vezeanu George, Solutii alter­native pentru structuri din otel cu contravantuiri centrice (2009). A 4-a Conferinta Nationala de Inginerie Seismica;
• Craifaleanu Iolanda-Gabriela, Modele neliniare cu un grad de libertate in ingineria seismica (2005);
• Hwang J.S., Seismic Design of Structures with Viscous Dampers (2002). International Training Programs for Seismic Design of Building Structures;
• FEMA 356, Prestandard and Commentary for the Seismic Rehabilitation Of Buildings (2000);
• FEMA 273,NHERP Guidelines for Seismic Rehabi­litation of Buildings (1997);
• Trevor E. Kelly – Holmes Design Group, In-Structure Damping and Energy Dissipation (2001), www.holmesgroup.com;
• Marcu DragoS, Raspunsul activ al structurilor la actiuni dinamice prin utilizarea amortizorilor cu masa aditionala (2001).

Autori:
ing. Ionut Vasilescu – Dir. tehnic, Popp & Asociatii Consulting Engineers
ing. Emil Tanase – Popp & Asociatii Consulting Engineers 

…citeste articolul integral in Revista Constructiilor nr. 109 – noiembrie 2014, pag. 38