WYBRANE ASPEKTY PROJEKTOWANIA SILOSÓW Z BLACH FALISTYCH NA PRODUKTY ROLNE
W artykule przedstawiono zalety konstrukcji silosów z blach falistych na produkty rolne oraz omówiono praktyczne aspekty ich projektowania. Zwrócono uwagę na konieczność kontroli temperatury i wilgotności składowanych materiałów. Poddano dyskusji sposób wymiarowania żeber pionowych płaszcza silosu w oparciu o obowiązującą normę PN-EN 1993-4-1:2009 [1].
1. Wprowadzenie
Do najpowszechniejszych produktów rolnych magazynowanych w silosach należy zaliczyć pszenicę i kukurydzę, ponadto często są też składowane pasze rolnicze. W ostatnim czasie wznoszone są przede wszystkim lekkie silosy metalowe, zwłaszcza z blach falistych. Płaszcze tych silosów mają znacznie większą sztywność w płaszczyznach równoleżnikowych niż płaszcze silosów z blachy gładkiej o kilkukrotnie większej grubości blach. Dzięki zastosowaniu blachy falistej zwalczono problem lokalnych wgnieceń płaszcza, które często powstawały jeszcze w trakcie transportu czy montażu blachy płaskiej. Kolejną zaletą pofalowanej blachy jest korzystniejsze odbijanie promieni słonecznych pod różnym kątem niż w przypadku blachy gładkiej. Zapobiega to nadmiernemu nagrzewaniu się samego silosu ale także składowanego ośrodka. Jest to szczególnie istotne w okresie letnim, gdy temperatura wewnątrz silosu może dochodzić nawet do kilkudziesięciu stopni Celsjusza. Najważniejszym aspektem, z punktu widzenia inwestora, jest cena tych silosów. Możliwość zastosowania cienkich blach płaszcza często o grubości 1 mm gwarantuje z reguły niższą cenę niż silosów z blachy płaskiej.
2. Wybrane oddziaływania
Przed przystąpieniem do wyznaczania oddziaływań na silosy należy dobrze zapoznać się ze schematem technologicznym baterii silosów, sposobem załadunku i rozładunku. Działanie to jest konieczne w celu przewidzenia wszystkich możliwych obciążeń. Najpospolitszym rozwiązaniem
jest oparcie galerii transportowej na podporach stanowiących przedłużenie żeber płaszcza, co często generuje stosunkowo duże siły ściskające i momenty zginające w żebrach. Szczególnie duże znaczenie ma to w przypadku galerii z przenośnikami taśmowymi, bowiem ziarno transportowane w ten sposób wymaga ochrony przed czynnikami atmosferycznymi. Konieczne jest całkowite zabudowanie galerii, przez co są narażone na znaczne oddziaływanie wiatru.
Wiodące oddziaływania na konstrukcję silosu pochodzą od składowanego ośrodka sypkiego. Oddziaływanie to objawia się w postaci parcia poziomego ph, naporu pionowego pv oraz tarcia powierzchniowego pw. Parcie poziome wywołuje równoleżnikowe siły rozciągające, które są przenoszone przez poszczególne carga płaszcza. Napór pionowy powoduje obciążenie lejów czy płaskich den, natomiast tarcie powierzchniowe wywołuje znaczne siły ściskające w południkowych żebrach silosów. W mniejszych silosach, które są nieużebrowane, siły tarcia oprócz ściskania powodują też zginanie blachy falistej. Z reguły na płaszcze silosów nieużebrowanych stosowane są stale o wysokich wytrzymałościach. Przed przystąpieniem do wyznaczania obciążeń od składowanego materiału sypkiego należy ściśle określić przedział możliwej zmiany wilgotności ośrodka w trakcie jego magazynowania. Drobna zmiana wilgotności może spowodować znaczne przegrupowanie obciążeń w silosie [2]. Obecna norma projektowa [3] uwzględnia możliwą zmianę właściwości ośrodka sypkiego za pomocą współczynników zmienności ai.
W trakcie rozpoczęcia opróżniania silosów, zwłaszcza smukłych hc/dc ≥ 2 [3] siły bezwładności powodują wzrost parcia poziomego, a co za tym idzie również tarcia powierzchniowego. Wzrost ten jest uwzględniany odpowiednimi współczynnikami zwiększającymi obciążenie w stosunku do stanu napełnienia. Obecne konstrukcje silosów na produkty rolne w większości przypadków są zaliczane do grupy silosów średnio-smukłych. Praktyka pokazuje, że stosowanie silosów smukłych powoduje więcej problemów eksploatacyjnych zwłaszcza w trakcie opróżniania. Ponadto w silosach smukłych jest znacznie większe prawdopodobieństwo powstawania wyjątkowych stanów obciążeń, np. przesklepień.
Dokładne opisanie oddziaływań ośrodkiem sypkim jest niezwykle trudne. Oprócz dużej zmienności właściwości ośrodka wpływ na to ma także rodzaj powstającego przepływu w trakcie opróżniania. W celu uwzględnienia przypadkowych asymetrii obciążenia wynikających z mimośrodów i imperfekcji zarówno w procesie napełniana i opróżniania, należy uwzględnić możliwość wystąpienia obciążenia lokalnego. Obciążenie to, zmienne po obwodzie, tworzy wyłącznie składowa parcia normalnego. W silosach z blachy falistej obciążenie lokalne należy rozpatrywać na dowolnym poziomie płaszcza silosu. W silosach należących do 2 klasy oceny oddziaływań (zdecydowana większość silosów na produkty rolne), obciążenie lokalne można zastąpić równomiernym przyrostem parcia poziomego oraz tarcia powierzchniowego.
Wśród obciążeń klimatycznych zdecydowanie największe znaczenie ma oddziaływanie wiatru na pusty silos. Największe prawdopodobieństwo zaistnienia takiej sytuacji występuje tuż po wzniesieniu silosu, przed jego zasypaniem. W przypadku wznoszenia baterii silosów, czy możliwej rozbudowy magazynu składającego się pierwotnie z jednego silosu należy rozpatrzyć dwie sytuacje obliczeniowe, jedną dla przypadku silosu wolnostojącego, drugą dla silosów w grupie. W większości przypadków stosowane przez producentów silosów, blachy faliste odznaczają się dużą odpornością na oddziaływanie wiatru. W przypadku silosów o średnicach większych niż 15 m stosuje się wzmocnienia płaszcza w postaci pierścieni wiatrowych, bowiem ich brak może spowodować utratę stateczności silosu. Poprawne rozmieszczenie pierścieni wymaga zaawansowanej analizy MES.
3. Wymiarowanie płaszczy silosów z blach falistych
W małych silosach o nieużebrowanych płaszczach wymiarowanie sprowadza się do sprawdzenia prostych warunków zawartych w normie projektowania [1]. W przypadku silosów użebrowanych procedura jest bardziej złożona. Z uwagi na fakt, iż blacha falista jest bardzo podatna w kierunku południkowym nie bierze ona udziału w przenoszeniu pionowych sił ściskających. Siły ściskające pochodzące przede wszystkim od tarcia ośrodka o pobocznicę całkowicie są przenoszone przez żebra, gęsto rozmieszczone na obwodzie. Norma projektowa [1] podaje dwie metody wymiarowania żeber płaszcza. Jedna z tych metod pomija sztywność poszycia przy wyboczeniu żebra w kierunku prostopadłym do ścianki, tym samym daje bardzo konserwatywne wyniki. Druga z metod, stosowana w praktyce, pozwala wykorzystać współpracę żebra z blachą falistą. W metodzie tej wyznaczane są dwie nośności, pierwsza z nich to nośność plastyczna przekroju efektywnego żebra, druga wynika ze sztywności zgięciowej blachy falistej. Mniejsza z tych wartości stanowi podstawę wymiarowania. Sporo zastrzeżeń może budzić przedstawiony w normie sposób wyznaczania sztywności zgięciowej poszycia (blachy falistej). Przedstawiony model (rys.1) nie uwzględnia wygięcia blachy falistej w łuk, jak ma to miejsce w silosach oraz opiera się na założeniu, że sąsiednie żebra stanowią podporę przegubową dla żebra leżącego pomiędzy nimi. W celu poprawnego i ekonomicznego zaprojektowania użebrowanych silosów z blach falistych konieczne wydaje się być przeprowadzanie zaawansowanych analiz MES wg [4].
Rys. 1. Określanie sztywności poszycia przy wyboczeniu żebra [1]
4. Niezbędne wyposażenie silosów na produkty rolne
Z uwagi na możliwość zmiany temperatury ziaren zbóż składowanych w silosach, należy przewidzieć możliwość jej pomiaru. W tym celu montuje się specjalne sondy pomiarowe (rys.2) podwieszone do konstrukcji dachu. Największe prawdopodobieństwo wzrostu temperatury składowanego zboża występuje w jego rdzeniu. Oprócz niezbędnych sond centralnych w silosach o większych średnicach montuje się także sondy obwodowe.
Instalacja sond wymaga uwzględnienia na etapie projektowania dodatkowego obciążenia konstrukcji dachowej. Obciążenie to powstaje na skutek tarcia ośrodka sypkiego o linkę sondy, głównie w trakcie opróżniania silosu i jest wyznaczane doświadczalnie. W przypadku odnotowania podwyższonej temperatury należy składowany materiał przewietrzyć. Chłodzenie odbywa się przy użyciu wentylatorów mechanicznych umiejscowionych w podstawie silosu, z reguły w dwóch lub kilku miejscach po obwodzie. Wtłaczane specjalnymi kanałami powietrze obniża temperaturę ziaren zbóż. Dachy silosów na produkty rolne należy wyposażyć w specjalne wywietrzniki (rys. 3), często też montuje się na nich wentylatory wyciągowe.
Rys. 3. Wywietrznik dachowy
5. Podsumowanie
W ostatnich latach, z uwagi na liczne zalety, konstrukcje silosów z blach falistych stały się powszechniej wykorzystywane do składowania produktów rolnych, zwłaszcza pszenicy i kukurydzy. Proces projektowania tych konstrukcji należy poprzedzić zaznajomieniem się z technologią procesów napełniana i opróżniania. Ponadto należy przewidzieć instalację układu pomiaru temperatury i wilgotności składowanego materiału. Gwarantuje to uwzględnienie wszystkich możliwych obciążeń, które potencjalnie z dużą dozą prawdopodobieństwa zostałyby
pominięte. W celu zastosowania ekonomicznych, a zarazem skutecznych rozwiązań konstrukcyjnych należy przeprowadzić zaawansowane analizy numeryczne MES. Wymiarowanie żeber płaszczy silosów w oparciu o normę projektową [1] jest rozwiązaniem stosunkowo nieefektywnym.
Literatura
[1] PN-EN 1993-4-1:2009 Projektowanie konstrukcji stalowych. Cześć 4-1: Silosy.
[2] Hotała E., Kuśnierek M.: Badania laboratoryjne wybranych właściwości biomas składowanych w silosach. Materiały Budowlane, nr 3/2013, s.57-58.
[3] PN-EN 1991-4:2008: Oddziaływania na konstrukcję. Część 4: Silosy i zbiorniki.
[4] PN-EN 1993-1-6:2009 Projektowanie konstrukcji stalowych. Cześć 1-6: Wytrzymałość i stateczność konstrukcji powłokowych.
SOME ASPECTS OF DESIGN SILOS WITH CORRUGATED SHEETS FOR