«

»

Aspecte privind dimensionarea structurilor de depozitare alcatuite din tabla ondulata

Share

Lucrarea de fata prezinta cadrul normativ european, seria eurocodurilor, si prevederile din cadrul acestora care se aplica la calculul si dimensionarea structurilor de depozitare alcatuite din tabla ondulata cu onduleuri orizontale. Sunt prezentate cerintele de siguranta ale unei solutii de realizare a unor silozuri de capacitate mica, sub 100 tone, confectionate din tabla ondulata si elemente formate la rece, folosite pe scara larga la depozitarea materialelor granulare.

 

Pana nu demult, structurile folosite pentru depozitarea materialelor granulare erau, in marea lor majoritate, alcatuite din tabla de otel sudata. La proiectarea acestor sisteme spatiale, date fiind complexitatea lor si susceptibilitatea peretilor la voalare, se foloseau, si inca se folosesc in practica curenta, o serie de simplificari, care situeaza calculele in domeniul acoperitor. Cu toate acestea, trebuie avut in vedere ca exagerarea valorilor tensiunilor aparute precum si subestimarea capacitatii reale a structurii la pierderea stabilitatii genereaza, cu fiecare milimetru in plus la grosime, un consum suplimentar de 8 kg/m2 de suprafata laterala, ceea ce conduce la cresterea consumului total, chiar cu zeci de tone. Din acest motiv, gasirea unor solutii structurale si de alcatuire cat mai eficiente, intrebuintarea unor oteluri de calitate superioara, imbunatatirea sistemelor de protectie impotriva coroziunii, si folosirea unor metode de dimensionare care sa reflecte cat mai fidel capacitatea reala a acestora erau necesare. Analizam, in cele ce urmeaza, o solutie actuala, utilizata pe scara larga, si anume realizarea structurilor de depozitare a materialelor granulare folosind tabla ondulata galvanizata, otel S355 sau echivalent, trecand in revista atat metodele analitice prezentate in normele romanesti si europene in vigoare, avute la dispozitie de catre proiectant la dimensionare, cat si metodele numerice avansate. Aceasta solutie este foarte populara, in cadrul fermelor de crestere a animalelor, la depozitarea hranei, acolo unde necesitatile sunt satisfacute de silozuri cu diametre de pana la 4 m si cu capacitate maxima de depozitare de pana in 45 tone.

 

Descrierea solutiei analizate

Silozurile pentru depozitarea amestecului de hrana pentru animale, solutii de firma provenite in general de pe piata americana, sunt produse in dimensiuni standardizate, cu diametre intre 1,8 – 3,7 m si inaltimi de 5 – 10 m, avand o capacitate maxima de stocare de pana la 50 tone. Data fiind capacitatea lor sub 100 tone, aceste silozuri se incadreaza in clasa 1 de evaluare a incarcarilor (fig. 1). Sunt structuri cu zveltete intermediara, de forma circulara, cu un corp cilindric realizat din foi de tabla din otel ondulate cu cute orizontale, rezemate pe stalpi formati la rece, prinsi articulat la nivelul fundatiei. Atat acoperisul conic, cat si corpul silozului sunt realizate din tabla ondulata, tesute cu ajutorul suruburilor hexagonale. Corpul silozului nu este prevazut cu rigidizari. Toate elementele structurii de sustinere (adica stalpii, contravantuirile) sunt prinse articulat prin intermediul unor prinderi simple cu suruburi, realizandu-se astfel o structura zabrelita. Pentru diametre mici sunt folositi doar stalpi de sustinere fara contravantuiri, formand un cadru. Stalpii sunt prelungiti pana peste zona de trecere, jonctiunea dintre corpul cilindric al silozului si palnia conica, si se suprapun peste prima foaie de tabla ondulata. In cazul silozurilor de capacitate mai mare, alcatuite din tabla ondulata orizontal, stalpii continua pana la acoperisul silozului, jucand rolul de rigidizari verticale. Intreaga suprastructura este realizata din otel galvanizat cu o limita de curgere de 380 MPa.

Dimensiunea totala a silozurilor le face sa fie clasificate in categoria silozurilor mici. Silozurile mici, cu umplere si descarcare simetrica, nu prezinta aspecte structurale deosebit de complexe, fiind clasificate in conformitate cu SR EN 1991-4 in clasa de evaluare a consecintelor 1 / clasa de evaluare a impactului 1 (tabelul 2.1 / EN 1991-4) si pot fi proiectate utilizand metode de calcul simple. Datorita aspectului, dat de raportul dintre inaltimea si diametrul corpului silozului, cele mai multe astfel de structuri sunt silozuri zvelte (fig. 3.4 / SR EN 1991-4). Clasa de importanta-expunere a structurilor este redusa, fiind clasificate ca structuri agricole caracterizate printr-un pericol redus de pierdere a vietii in caz de colaps.

 

Cerinte de performanta structurale pentru silozuri

Cadrul normativ pentru proiectarea structurilor de depozitare

Verificarile structurale efectuate sistemelor de depozitare a materialelor granulare confectionate din foi de tabla ondulata de otel trebuie conduse in conformitate cu urmatoarele norme de proiectare:

  • SR EN 1990: 2004 – Bazele proiectarii structurilor;
  • SR EN 1991-1-1: 2004 – Actiuni asupra structurilor. Partea 1-1: Actiuni generale – Greutati specifice, greutati proprii, incarcari utile pentru cladiri;
  • SR EN 1991-1-3: 2005 – Actiuni asupra structurilor. Partea 1-3: Actiuni generale – Incarcari date de zapada;
  • SR EN 1991-1-4: 2006 – Actiuni asupra structurilor. Partea 1-4: Actiuni generale – Actiuni ale vantului;
  • SR EN 1991-1-5: 2004 – Actiuni asupra structurilor. Partea 1-5: Actiuni generale – Actiuni termice;
  • SR EN 1991-4: 2006 – Actiuni asupra structurilor. Partea 4: Silozuri si rezervoare;
  • SR EN 1993-1-1: 2006 – Proiectarea structurilor de otel. Partea 1-1: Reguli generale si reguli pentru cladiri;
  • SR EN 1993-1-5: 2007 – Proiectarea structurilor de otel. Partea 1-5: Elemente structurale din placi plane solicitate in planul lor;
  • SR EN 1993-1-6: 2007 – Proiectarea structurilor de otel. Partea 1-6: Rezistenta si stabilitatea placilor curbe subtiri;
  • SR EN 1993-1-7: 2007 – Proiectarea structurilor de otel. Partea 1-7: Structuri din placi plane solicitate la incarcari in afara planului;
  • SR EN 1993-1-8: 2006 – Proiectarea structurilor de otel. Partea 1-8: Proiectarea imbinarilor;
  • SR EN 1993-4-1: 2007 – Proiectarea structurilor de otel. Partea 4-1: Silozuri;
  • SR EN 1998-1: 2004 – Proiectarea structurilor pentru rezistenta la cutremur. Partea 1: Reguli generale, actiuni seismice si reguli pentru cladiri;
  • SR EN 1998-4: 2007 – Proiectarea structurilor pentru rezistenta la cutremur. Partea 4: Silozuri, rezervoare si conducte.

Combinatiile de actiuni pentru clasa de evaluare a incarcarilor 1 sunt prezentate in „Anexa A” a SR EN 1991-4 Bazele proiectarii – paragrafe suplimentare la EN 1990 pentru silozuri si rezervoare, caz in care trebuie considerate urmatoarele situatii/reguli simplificate de proiectare, pentru silozuri circulare din clasa de efecte 1:

  • umplere;
  • descarcare;
  • vant cand silozul este gol;
  • umplere combinata cu vant;
  • zapada (pentru acoperis).

Structurile de depozitare trebuie sa satisfaca cerintele la starea limita plastica (LS1) si cerintele legate de pierdere a stabilitatii globale si locale (LS3) pentru toate situatiile de proiectare si grupari de actiuni mentionate mai sus (AAC1). Verificarile privind oboseala (sectiunea 9, EN 1993-1-6) si cerintele privind limitele ciclice de plasticitate nu sunt obligatorii, pentru clasa de efecte. Pot fi formulate cerinte speciale de catre beneficiar pentru starea limita de serviciu. In general, valorile limita specifice, pentru deplasari, deformatii si vibratii, corespunzatoare utilizarii prevazute, trebuie sa fie convenite intre proiectant, client si autoritatea relevanta, tinand seama de utilizarea preconizata si de natura materialelor granulare care urmeaza sa fie stocate.

Materialul depozitat poate ataca chimic peretii structurii de stocare, afectand astfel valoarea unghiului de frecare a peretelui si flexibilitatea acestuia. Coroziunea depinde de caracteristicile chimice ale materialului depozitat si de continutul de umiditate. In mod uzual, grosimea peretelui obtinuta la proiectare poate fi marita considerand coroziunea, in vederea cresterii duratei de viata a silozului (pentru tabla de otel laminata la cald este recomandata o crestere cu minimum 2 mm a grosimii nominale rezultate din procesul de proiectare). Particulele granulare creeaza uzura prin abraziunea suprafetei peretelui, ducand la probleme similare cu cele descrise pentru coroziune. Contabilizarea acestui fenomen in evaluarea sigurantei silozurilor poate avea in vedere o reducere de 3 μm/an pe o durata de viata de 30 de ani.

 

Ipoteze de incarcare pentru silozuri

 

  • Materiale granulare

Proprietatile materialelor granulare pot fi specificate de catre beneficiar, in urma si pe baza unor incercari, sau folosite cele din anexa E, Valorile proprietatilor materialelor granulare / SR EN 1991-4: 2006, tabelul E.1 Proprietatile materialelor granulare. In lipsa unor date concrete, pentru instalatiile mici se pot utiliza proprietatile unui „material general”. Pentru suprafata peretelui se considera o categorie D4 corespunzatoare unui perete lateral neregulat, realizat din tabla ondulata pe orizontala. Anexa D / EN 1991-4: 2006 Determinarea proprietatilor materialelor pentru evaluarea incarcarilor la silozuri ofera, in formula (D.1), modul de evaluare a coeficientului efectiv de frecare pe perete pentru un perete ondulat. Pentru pereti cu profil ondulat sinusoidal se poate folosi un parametru aw de 0,2, ca masura a miscarii materialului pe suprafata peretelui. Este exemplificat modelul de material granular pentru hrana de animale:

– Greutatea specifica: γ = 6,5 kN/m3

– Unghi in stare de repaus: φr = 39

– Unghiul de frecare interna: φim = 36 cu un factor aφ = 1,8

– Raportul presiunilor laterale: km = 0,45 cu un factor ak = 1,10

– Coeficientul frecarii cu peretele pentru D4: μm = 0,625 cu un factor aμ = 1,28

– Factorul de referinta al incarcarii locale pentru material: Cop = 1,0

 

  • Actiunea vantului

In general, aceste structuri, cu dimensiuni standardizate, sunt dimensionate si gandite pentru a acoperi, ca amplasament, o zona geografica cat mai larga. Astfel a fost considerata acoperitor, conform CR 1-1-4 Cod de proiectare. Bazele proiectarii si actiuni asupra constructiilor. Actiunea vantului, o zona cu o presiune de referinta qb = 0,7 kPa. In determinarea incarcarii date de actiunea vantului a fost considerata categoria terenului III (corespunzatoare unor zone cu densitate redusa a constructiilor, cum ar fi satele si fermele situate in zonele extravilane). Pentru determinarea fortelor axiale aparute in elementele structurii de sustinere, trebuie introdusa in modelul structural distributia radiala a vantului pentru cilindri circulari, conform paragrafului 12.8.1 / CR 1-1-4, respectiv Anexa C / SR EN 1993-4-1 Distributia presiunii vantului in jurul structurilor silozurilor circulare. Pentru determinarea valorii compresiunii circumferentiale aparute in corpul cilindric al silozului se poate utiliza distributia simplificata echivalenta a presiunii vantului, descrisa in SR EN 1993-1-6 / D1.3.2. Au fost folositi urmatorii parametri:

– Viteza medie de referinta (viteza de baza): qb = 0,7 kPA

– Factor de expunere la inaltimea de referinta: ce(z) = 1,7

– Suprafata exterioara expusa: variaza in functie de geometria silozurilor

– Valoarea vantului echivalent: variaza in functie de geometria silozurilor

 

  • Actiunea zapezii

Urmand aceleasi principii ca la actiunea vantului, a fost luata in considerare o incarcare din zapada in conformitate cu EN 1991-1-3 / CR 1-1-4, care sa fie acoperitoare pentru marea parte a teritoriului Romaniei. Drept coeficienti ai formei de incarcare a zapezii trebuie adoptati cei de la acoperisurile inclinate. In general se adopta o topografie cu varf de vant care corespunde unei suprafete plane neobstructionate expuse pe toate partile. Au fost luati in considerare urmatorii parametri:

– Valoarea caracteristica a incarcarii zapezii pe sol: sk = 2,5 kN/m2

– Coeficientul de expunere: ce = 0,8

– Coeficientul termic: ct = 1,0

 

  • Actiunea seismica

Zonele seismice trebuie preluate din Codul romanesc de proiectare antiseismica P100-1: 2012. Se utilizeaza o corectie de amortizare egala cu 1 pentru amortizarea vascoasa de 5%. Riscul de pierderi de vietii omenesti este scazut, iar consecintele economice si sociale ale esecului sunt mici sau neglijabile, astfel incat se utilizeaza clasa I de importanta (EN 1998-4: 2006 / 2.1.4 (5)), corespunzatoare unei clase de consecinte CC1 (definite in EN 1990 : 2002, Anexa B). Datorita schemelor statice si detaliilor de imbinare foarte simple folosite la realizarea structurilor de depozitare cu capacitate mica, aceste structuri au fost considerate slab disipative, iar factorul comportamental a fost luat conform recomandarilor:

– Acceleratia de referinta a varfului de referinta: agR = 0,16 g

– Factorul de importanta (clasa I): γI = 0,8

– Valoarea recomandata pentru factorul de reducere (DL): ν = 0,5

Chiar daca in conformitate cu Anexa A EN 1991-4 pentru AAC 1 nu este obligatorie luarea in considerare a actiunii seismice, recomandam luarea in considerare, la verificarea structurii de sustinere, a unui nivel seismic slab-moderat.

 

  • Durata de viata a silozurilor

In lipsa unor indicatii concrete din partea beneficiarului, pentru durata de viata a unei astfel de structuri, categoriile indicative sunt prezentate in tabelul 2.1 / EN 1990: 2002. Structurile agricole si similare sunt clasificate in categoria 3, cu o durata de viata indicata de proiectare de 15 pana la 30 de ani.

 

Evaluarea performantelor silozurilor

 

Cerinte de analiza

Pentru elementele componente ale structurii de sustinere, in vederea determinarii eforturilor, este suficienta, in general, o analiza elastica de ordinul intai. Un siloz rezemat pe stalpi sub palnie este analizat folosind teoria incovoierii liniare a mantalei sau o analiza mai precisa (5.4.5 (3) SR EN 1993-4-1), dar pentru silozurile din clasa de efecte 1, teoria de membrana poate fi utilizata pentru determinarea tensiunilor primare (4.2.2.4 SR EN 1993-4-1: 2007). In general, pentru silozurile alcatuite din tabla ondulata, stalpul este prelungit pana la prima juxtapunere a foii de tabla, detaliu structural ce reduce mult efectele de incovoiere locala a placii. Formulele analitice de determinare a tensiunilor in teoria de membrana la placi curbe subtiri se gaseste in anexa A din cadrul SR EN 1993-1-6.

Examinarea si evaluarea acestora este limitata la conditiile uzuale de exploatare, fara a considera expunerea la foc, impact sau explozie, sau orice alte reglementari privind alte aspecte legate de executia si calitatea productiei, conditiile de instalare, de montare si de exploatare sau alte riscuri si masuri de siguranta pentru evitarea potentialelor vatamari corporale.

 

Verificarea la starea limita ultima

Pentru elementele structurilor de sustinere si pentru prinderi si imbinari de tesere dintre panouri (vezi si Figura 5.4. din SR EN 1993-4-1) trebuie efectuate verificarile conditiilor impuse de SR EN 1993-1-1 Proiectarea structurilor de otel: Reguli generale si reguli pentru cladiri si SR EN 1993-1-8 Proiectarea structurilor de otel: Proiectarea imbinarilor.

Mantaua cilindrica din tabla ondulata cu cutele orizontale (ondulat orizontal Fig. 5.1 / SR EN 1993-4-1) se verifica conform 5.3.2 Pereti izotropi asamblati cu buloane si poate fi tratata ca placa uniforma ortotropa daca lungimea de unda este mai mica de 0,5 √rt sau se pot folosi proprietatile ortoepice echivalente ale tablei ondulate disponibile in paragraful 4.4 / SR EN 1993-4-1. Pentru peretii ondulati pe orizontala, pentru verificarea pierderii stabilitatii locale sub compresiune axiala se utilizeaza formulele (5.60 – 5.62) / EN 1993-4-1. Verificarea corpului cilindric al silozului se face folosind o grosime redusa datorita abraziunii si coroziunii.

Verificarea la flambaj sub presiune externa se face folosind proprietatile echivalente de membrana, urmand procedura generala 5.3.2.5. / SR EN 1993-4-1.

Atat norma europeana de baza EN 1993-4-1, cat si standardul roman derivat SR EN 1993-4-1 fac trimitere in Nota 1 din cadrul paragrafului 5.3.4 Pereti din tabla ondulata, cu onduleuri orizontale la anexa D, si anume: Informatii mai detaliate asupra proiectarii silozurilor din tabla ondulata se gasesc in referintele date in anexa D; anexa inexistenta.

 

Determinarea tensiunilor critice

Toate metodele de proiectare si dimensionare la starea limita de stabilitate LS3 necesita determinarea ca parametru, in stabilirea tensiunii de calcul la pierderea stabilitatii, a tensiunilor elastice critice de pierdere a stabilitatii. Acestea pot fi determinate cu ajutorul formulelor de norma sau prin intermediul analizelor cu programe de calcul avansat bazate pe metoda elementului finit.

 

  • Metoda analitica

Calculul si determinarea tensiunii axiale sau circumferentiale critice de voalare pot fi facute folosind abordarea oferita de norma, unde pentru structurile alcatuite de tabla de otel formulele se gasesc in anexa D a SR EN 1993-1-6. Aplicarea acestor formule poate avea ca dezavantaj obtinerea unor valori conservatoare ale tensiunilor si, in plus, in cazul tablelor ondulate aplicarea lor este complicata.

S-a aplicat metoda analitica pentru determinarea valorii caracteristice a rezistentei la pierdere locala, plastica a stabilitatii, ca cea mai mare dintre:

nx,Rk = t2fy / 2d si nx,Rk = RΦ · t/r · fy

unde:

t – grosimea tablei

d – amplitudinea onduleului

RΦ      – curbura locala a onduleurilor

r – raza cilindrului

Valoarea de proiectare se determina nx,Rd = αx nx,RkM0

 

  • Metoda numerica

Valoarea tensiunilor poate fi obtinuta printr-o analiza cu valori proprii (LBA – analiza linear elastica de bifurcare), efectuata cu ajutorul programelor pe baza de element finit. Pentru obtinerea unor solutii cat mai apropiate de realitate, programul folosit trebuie certificat, prin raportare la cazuri de referinta, iar modelul numeric trebuie atent construit astfel incat sa respecte toate cerintele de modelare prevazute in SR EN 1993-1-6, cu privire la material si geometrie.

In urma simularilor numerice s-au obtinut modurile de pierdere a stabilitatii conform figurii 2.

 

Comentarii

In general, rezultatele obtinute aplicand formulele analitice sunt conservatoare in raport cu rezultatele numerice. Deoarece nu au fost conduse suficiente analize numerice si nu sunt disponibile studii numerice, nu putem trage, in acest moment, o concluzie finala cu privire la validitatea formulelor de norma, ci ne rezumam la a prezenta pasii de urmat si cadrul normativ avut la dispozitie de catre proiectant la dimensionarea si verificarea acestui tip de structura.

Intentia noastra este sa studiem, in viitor, solutia structurala prezentata, folosind o gama mai larga de parametri: diferite grosimi si diametre, tipuri de table ondulate cu diferite curburi locale si amplitudini, corelarea intre valorile oferite de norma pentru tensiunile axiale, respectiv circumferentiale critice de voalare si cele obtinute numeric.

 

Bibliografie

[1] SR EN 1990: 2004 Bazele proiectarii structurilor;

[2] SR EN 1991-1-1: 2004 – Actiuni asupra structurilor. Partea 1-1: Actiuni generale – Greutati specifice, greutati proprii, incarcari utile pentru cladiri;

[3] SR EN 1991-1-3: 2005 Actiuni asupra structurilor. Partea 1-3: Actiuni generale – Incarcari date de zapada;

[4] SR EN 1991-1-4: 2006 Actiuni asupra structurilor. Partea 1-4: Actiuni generale – Actiuni ale vantului;

[5] SR EN 1991-1-5: 2004 – Actiuni asupra structurilor. Partea 1-5: Actiuni generale – Actiuni termice;

[6] SR EN 1991-4: 2006Actiuni asupra structurilor. Partea 4: Silozuri si rezervoare;

[7] SR EN 1993-1-1: 2006 – Proiectarea structurilor de otel. Partea 1-1: Reguli generale si reguli pentru cladiri;

[8] SR EN 1993-1-5: 2007 Proiectarea structurilor de otel. Partea 1-5: Elemente structurale din placi plane solicitate in planul lor;

[9] SR EN 1993-1-6: 2007 Proiectarea structurilor de otel. Partea 1-6: Rezistenta si stabilitatea placilor curbe subtiri;

[10] SR EN 1993-1-7: 2007 Proiectarea structurilor de otel. Partea 1-7: Structuri din placi plane solicitate la incarcari in afara planului;

[11] SR EN 1993-1-8: 2006 – Proiectarea structurilor de otel. Partea 1-8: Proiectarea imbinarilor;

[12] SR EN 1993-4-1: 2007 – Proiectarea structurilor de otel. Partea 4-1: Silozuri;

[13] SR EN 1998-1: 2004 Proiectarea structurilor pentru rezistenta la cutremur. Partea 1: Reguli generale, actiuni seismice si reguli pentru cladiri;

[14] SR EN 1998-4: 2007 Proiectarea structurilor pentru rezistenta la cutremur. Partea 4: Silozuri, rezervoare si conducte.

 

(Lucrare prezentata in cadrul celei de-a 16-a „Conferinte Nationale de Constructii Metalice – CM16-2019”, Timisoara, 13-14 iunie 2019.)

 

Autori:

Adrian Ioan Dogariu – Universitatea Politehnica Timisoara, Facultatea de Constructii, Departamentul de Constructii Metalice si Mecanica Constructiilor;

Daniel Grecea – Universitatea Politehnica Timisoara, Facultatea de Constructii, Departamentul de Constructii Metalice si Mecanica Constructiilor; Academia Romana – Filiala Timisoara

 

…citeste articolul integral in Revista Constructiilor nr. 176 – decembrie 2020, pag. 82

 



Daca v-a placut articolul de mai sus
abonati-va aici la newsletter-ul Revistei Constructiilor
pentru a primi, prin email, informatii de actualitate din aceeasi categorie!
Share

Permanent link to this article: https://www.revistaconstructiilor.eu/index.php/2020/12/01/aspecte-privind-dimensionarea-structurilor-de-depozitare-alcatuite-din-tabla-ondulata/

Faci un comentariu sau dai un răspuns?

Adresa de email nu va fi publicata.