В предыдущие годы сообщалось о различных повреждениях элеваторов, содержащих гранулированные материалы, от трещин в бетонных стенах вплоть до полного разрушения.
Разрушения и трещины ясно показали, что устойчивость и грузонесущая способность рассматриваемых зданий не соответствовали друг другу.
Проектировщики элеваторов обычно имеют дело с тяжелыми грузами, хранящимися в относительно слабых емкостях; возможность ошибки в принятых допущениях очень высока.
Возникающие проблемы также разнообразны, как типы проектируемых элеваторов и виды хранящихся в них продуктов. Исследование некоторых проблем позволило сделать вывод, что каждый элеватор необходимо проектировать с учетом свойств хранящегося продукта и метода выпуска продукта из него. В проекте необходимо проанализировать, как схемы истечения продукта и нагрузка будут меняться с изменением свойств хранящегося продукта.
Давление зерна в силосах исследуют давно. Существует два основных вида нагрузок: статические при заполнении и динамические при опорожнении. Хорошо известно, что горизонтальное давление на стены при выпуске хранящегося в силосе продукта значительно выше, чем нагрузки при заполнении силоса. По этой причине многие силосы были повреждены вскоре после открытия выпускной задвижки и во время опорожнения, а не при заполнении или в результате статического давления хранящихся продуктов. В большинстве исследований по этой проблеме вели измерения на модельных или производственных силосах или проводили теоретический анализ, основываясь на допущениях относительно механики гранулированного продукта. До настоящего времени нет однозначного объяснения или теории «избыточного давления», образующегося при опорожнении силоса.
Причиной повреждения силоса могут быть многие факторы. Некоторые повреждения являются результатом нагрузок, не учтенных проектировщиком, например, при неравномерной осадке фундамента, другие — из-за нарушений и ошибок в процессе сооружения и эксплуатации. Первый предупреждающий сигнал повреждения — вертикальные трещины в стене силоса. В результате деформации цилиндрическая форма силоса меняется на овальную. Вблизи крыши здания будут появляться горизонтальные трещины из-за срезывающих нагрузок, обусловленных массой крыши.
Если эти трещины небольшие, то проблема может быть не очень серьезной, однако необходимо следить за изменениями.
Одним из методов проверки является следующий: вставить металлическую пластинку плотно в трещину. Если она вскоре будет свободно выходить из трещины, то, следовательно, трещина расширяется и требуется дальнейшее исследование специалистом. В последнее десятилетие особенно возросло число стен железобетонных силосов, в которых образуются вертикальные трещины такой ширины, что в них может проникать дождевая влага, вызывая ухудшение качества продукта за счет повышения влажности.
Практика подтверждает, что повреждение постепенно усугубляется и поверхностные меры, подобные заделке трещин, бессмысленны из-за их постоянного расширения или появления новых трещин. Доказано, что на стенах, обращенных на юг и запад, больше трещин и они более широкие, особенно когда эти стены подвержены ветрам. Заметим, что в случае угрожающего повреждения полностью заполненного силоса опасно открывать выпускную задвижку, чтобы удалить продукт и снизить давление.
Непрогнозируемые состояния нагрузок, возникающих в силосах, можно классифицировать по следующим группам.
Ударные нагрузки. В силосе с неудовлетворительными условиями истечения продукта может образоваться устойчивый свод над пустотой в выпускной воронке. Зависание продукта в силосах, особенно небольшой вместимости, может вызвать сводообразование от стены к стене.
При обвале свода масса продукта падает в выпускную воронку и вызывает очень высокое избыточное давление и повреждение днища и стен силоса. Кроме того, разрежение в верхней части силоса может быть настолько большим, что стены обваливаются внутрь (эффект поршня).
Особенно опасно, когда пустоты образуются по всему объему выпускной воронки. В зависимости от высоты падения обрушившаяся масса может вызывать давление, в 3 раза превышающее обычное давление на днище; этого достаточно, чтобы разрушить силос. Постоянное хранение в таких силосах продуктов, имеющих склонность к сводообразованию, не рекомендуется.
В качестве корректирующих мер может быть принято переконструирование днища силоса, с тем чтобы обеспечить перемещение всей массы продукта во время его выпуска. Массовый поток помогает устранить две важные проблемы — прилипание продукта к стене силоса и сводообразование над выпускным отверстием и от стены к стене.
Другая мера — размещение трудносыпучих продуктов в силосах большей вместимости. Хотя сводообразование при этом не исключается, но свод в больших силосах обычно не образуется от стены к стене. Следовательно, опасность обвала от удара большой движущейся массы продукта невелика.
Изгиб стены цилиндрических силосов. Всякий раз, когда воронка, образующаяся при истечении и расширяющаяся вверх от выпускного отверстия, достигает вертикальной стены силоса, на эту стену действует избыточное давление.
Стены цилиндрического силоса обычно проектируют из расчета передачи только кольцевого напряжения и вертикального сжатия, основываясь на допущении о том, что давление на цилиндрическую стену равномерно по окружности.
Значительная неравномерность имеет место всякий раз, когда хранящийся продукт выходит в воронку, образуемую внутри неподвижного продукта, и эта воронка касается стены силоса. Эти неравномерности отмечаются во всех силосах с истечением продукта в виде «центрального столба», а также в силосах с массовым потоком в начале выпуска продуктов с хорошей сцепляемостью отдельных частиц. В цилиндрическом силосе давление за счет указанных неравномерностей вызывает горизонтальные изгибающие моменты, в результате чего появляются вертикальные трещины в бетонных силосах и вмятины в металлических силосах.
Способность расширяться как причина избыточного давления. Перепад температур также может быть причиной образования трещин. Средняя высота слоя продукта внутри силоса возрастает с повышением наружной температуры. Значительное изменение температуры на внутренней и наружной поверхности стен может приводить к избыточным давлениям. Изгибающее усилие, обусловленное этим изменением, может вызвать коробление стены.
Изменение в использовании. При эксплуатации многих производственных силосов возникают проблемы из-за неправильного использования или нарушения определенного проектировщиком назначения силоса, т. е. хранящийся продукт обладает существенно другими свойствами и истекает другим способом, чем предполагал проектировщик. Примером этого является асимметричное истечение в силосе с центральным выпускным отверстием, обусловленное расслоением тонкой пыли. Типичным, но опасным решением является устройство дополнительного выпускного отверстия в стене силоса.
Строительная конструкция. Вертикальные трещины в стенах могут быть вызваны дефектами арматурного каркаса, а именно пропуском стержней или неправильным размещением арматуры. Повреждение развивается медленно по мере того, как вертикальные трещины становятся больше, растягивая перегруженные стержни, пока они не лопнут. Если одна зона имеет мало или вообще не имеет арматурных стержней, разрушение может быть внезапным и, вероятно, произойдет при первом заполнении или опорожнении.
В других случаях расстояние между арматурными кольцами бывает слишком большим. Однако опыты показали, что стержни редко устанавливают на расстоянии, меньшем, чем указано на рисунках; часто это расстояние больше. Таким образом, интенсивность армирования может быть значительно ниже, чем это требуется по спецификации. Монотонность операций во время сооружения силоса вследствие повторения стандартной работы приводит к потере интереса к ней. Если что-то делают неправильно, это не всегда может быть замечено и исправлено; следовательно, это может привести к серьезным дефектам, требующим дорогого ремонта.
Протечки воды. Так как все наружные стены силоса подвержены воздействию осадков, протечки воды через трещины в стенах становятся проблемой. Если хотят получить водонепроницаемую стену без трещин, необходимо использовать минимальную толщину слоя бетона.
Ухудшение связности бетона на стержнях, соединяемых внахлестку. Это может быть вызвано несоответствующей прочностью бетона, длиной соединения арматуры внахлестку или неравномерным расположением этих соединений. К сожалению, соединение внахлестку может ухудшаться из-за повторяющихся циклов нагрузки до тех пор, пока силос неожиданно не разорвет.
Рециркуляция продукта. Критическая ситуация с горизонтальным давлением может наступить во время рециркуляции продукта в силосе, например, когда один и тот же силос одновременно заполняется и опорожняется.
Истирание стен силосов. Когда сыпучие продукты неоднократно загружают в силос или когда поток продукта ударяется о стены силоса или выпускной воронки всегда в одно и то же место, происходит истирание. Степень истирания зависит от скорости и абразивности частиц продукта и от давления, оказываемого скользящей массой продукта.
Процесс износа внутренних стен влияет не только на долговечность силоса, но может быть причиной изменения характера истечения продуктов и способствовать образованию искр от случайно попавшего железа. Появление трещин на внутренней поверхности стены силоса ускоряет процесс истирания, и если эти стены расслаиваются, то возрастает опасность истирания арматуры или воздействия на нее вредных веществ.
Промежуточные силосы. Очень высокие силосные корпуса с силосами большого диаметра и с промежуточными силосами или силосами-«звездочками» и взаимосвязью четырех единиц в одну группу представляют собой распространенную конфигурацию зернохранилищ.
Силосы-«звездочки» особенно чувствительны к повреждениям из-за знакопеременных изгибающих моментов, усилий сдвига и деформаций в стенах, которые появляются, когда этот силос заполнен, а один или более окружающих силосов пусты.
При неправильном проектировании в середине, а также на концах стен будут появляться трещины. Эти сооружения необходимо регулярно проверять изнутри.
Если выявлено такое состояние и стены сильно изогнуты, силос нельзя использовать без предварительного его укрепления.
Винтовой разгрузитель. В обоих крайних положениях винтового разгрузителя неодинаковые горизонтальные силы и чрезмерный изгиб стены силоса могут привести к трещинам и повреждению. Это положение можно сравнить с силосом, спроектированным с неправильным выпускным отверстием, которое потом придется дополнить боковым выпускным отверстием, не имея возможности принять необходимые меры по усилению стены.
Если предполагают, что силос может получить повреждение, то наиболее распространенным методом профилактического ремонта будет установка новой стены силоса или облицовка внутренней поверхности. Это чаще всего делают, используя торкрет-бетонную облицовку. Количество арматурных стержней в облицовке определяют в каждом конкретном случае.
Наилучший метод предотвращения повреждений силоса — проектирование его опытным специалистом. Необходима также постоянная инспекция строгим и опытным инспектором во время производства работ с использованием скользящей опалубки, что гарантирует строительство силосов в соответствии с проектом.