Rekonstrukce výměníku v cementárně v Hranicích na Moravě

• Foto

Výměník je ocelový skelet, který má 10 hlavních podlaží. Poslední podlaží je v úrovni +80,5 m. Na jednotlivých podlažích jsou osazena technologická zařízení o celkové hmotnosti mnoha tisíc tun. Hlavní nosný systém ve svislém směru je řešen jako soustava sloupů s příhradovými ztužidly v obvodových stěnách. Základní skelet má půdorysné rozměry 12,25 × 16,2 m s rozšířením o přistavěnou výtahovou šachtu se schodištěm výšky 104 m. Do úrovně +33 m je hlavní skelet rozšířen na rozměry 24,25 × 23,6 m. Rozhodující část konstrukce je neopláštěna. Jednotlivá podlaží jsou řešena jako systém ocelových podlahových nosníků krytých nenosnou betonovou deskou, která je vybetonována do nosných trapézových plechů.

K původní konstrukci byly mezi podlažími v úrovních +33 m až po +67 m přistavěny tři nové plošiny pro osazení dalšího zařízení o celkové hmotnosti přes 800 t. V rámci návrhu nových plošin byl proveden přepočet stávající nosné ocelové konstrukce i betonových základů. Výsledkem přepočtu byl požadavek na zesílení některých částí ocelové konstrukce i některých základů. Na obrázku 1 je pohled na část výměníku před instalací nových plošin a na obrázku 2 stejná část výměníku již s novými plošinami.

PŘEPOČET OCELOVÉ KONSTRUKCE
Skutečný stav konstrukce
Pro přepočet nosné ocelové konstrukce byla v archivu investora k dispozici kompletní původní projektová dokumentace včetně statického výpočtu a také podstatná část dílenské dokumentace. Většina konstrukce byla navržena z oceli řady 37, spodní části hlavních sloupů pak z oceli řady 52. Kromě původní projektové dokumentace byly nalezeny i některé zápisy z doby výstavby a právě z nich vyplynulo, že u některých sloupů byl dodatečně změněn materiál z jakosti 52 na 37. Statické prověření těchto změn však v době výstavby pravděpodobně nebylo provedeno. V rámci přepočtu konstrukce byla provedena řada materiálových zkoušek a z nich vyplynulo, že všechny hlavní sloupy jsou ve skutečnosti vyrobeny z oceli řady 37. Tato skutečnost byla zahrnuta do nového posudku konstrukce. V průběhu provozu konstrukce byly prováděny kontrolní prohlídky k ověření geometrie a případných závad konstrukce. Tyto prohlídky však nemohly objevit nesrovnalosti v jakosti materiálu sloupů. Na obrázku 3 je schéma konstrukce s vyznačením sloupů, u kterých byl zjištěn materiál horší jakosti, než jaký byl deklarován v původním statickém výpočtu.

Kromě popisované problematiky byla při prohlídce zjištěna koroze nosných trapézových plechů podlah. Konstrukce je stará 25 let. Zatímco ocelové konstrukce jsou z hlediska protikorozní ochrany vyhovující, podlahové trapézové plechy jsou v mnohem horším stavu a vzhledem ke konstrukčnímu řešení podlah jsou neopravitelné. Ukazuje se, že řešení betonové podlahy jako nenosné desky s nosnými trapézovými plechy není pro venkovní konstrukce podobného charakteru vhodné. Betonová deska nezajišťuje vodotěsnost, protože vlivem povětrnosti v kombinaci s velkými změnami teplot od mrazu při zimních odstávkách po vysoké teploty od horké technologie při provozu dochází k popraskání betonu.

Analýza systému stěnového ztužení
Posudek konstrukce byl řešen globální 3D analýzou, která ukázala významné přetížení některých ztužidel. Výpočetní 3D model celé konstrukce je na obrázku 4. Byly porovnány vnitřní síly dle původního výpočtu z roku 1988 s výsledky nové globální analýzy. Toto porovnání po eliminaci rozdílných koeficientů zatížení ukázalo, že vnitřní síly ve sloupech a v podlahových nosnících jsou ve shodě, ale vnitřní síly ztužidel jsou dle nové globální analýzy vyšší, než dle původního výpočtu.

Důvodem vyšších vnitřních sil ve ztužidlech nebylo zvýšení zatížení větrem dle ČSN EN 1993-1-4 proti dříve platné ČSN 730035. V původním výpočtu bylo zatížení větrem řešeno pro plný průmět obrysu konstrukce s technologií. Pro přepočet výměníku byl vítr simulován na počítačovém modelu konstrukce s reálným tvarem technologických zařízení a s modelováním okolních objektů, které řešenou konstrukci částečně zakrývají. Takto modelované zatížení dle dnes platné evropské normy bylo srovnatelné s hodnotami původně uvažovaného zatížení větrem. Model výměníku s okolními objekty pro větrovou studii je na obrázku 5. Modelování působení větru bylo provedeno ve spolupráci s Ústav teoretické a aplikované mechaniky AV ČR.

Pro zjištění příčin rozdílu velikosti vnitřních sil ztužidel byl prozkoumán původní statický výpočet v celkovém rozsahu cca 1 100 stran. Vnitřní síly a posudky sloupů a konstrukce jednotlivých podlaží byly počítány ručně. V postupu stanovení vnitřních těchto částí nebyly nalezeny chyby. Vnitřní síly stěnových ztužidel byly řešeny na počítači statickou analýzou rovinného systému. Jednotlivá stěnová ztužidla byla řešena samostatně obecnou deformační metodou s uvážením spolupůsobení ztužidla se sloupem při stlačení sloupu vlivem osové síly. Svislé zatížení rovinného ztužidlového systému bylo uvažováno také pro každou stěnu samostatně. Rozdělení ztužidel na rovinné systémy a jejich samostatné řešení bez vzájemné interakce celého systému stěn je chybné. Celková síla ve sloupu a ve ztužidlech se měla stanovit jako výsledek spolupůsobením obou vzájemně kolmých rovinných systémů. Stejně tak síly ve ztužidlech pro obě vzájemně kolmé roviny se měly uvážit s vlivem celkového stlačení sloupu. Ztužidla jednotlivých stěn se liší na jednotlivých podlažích jak statickým systémem, tak velikostí a typem použitých profilů. Schematické působení ztužidel dle původního návrhu v porovnání se skutečným působením je na obrázku 6, vlevo je rovinný systém s polovičním zatížením do sloupu, vpravo prostorový systém s plným zatížením do sloupu. Z obrázku je nesprávnost původního řešení vnitřních sil diagonál patrná, protože zvolený rovinný model není ve svých účincích ekvivalentní k modelu prostorovému.

REKONSTRUKCE OK VÝMĚNÍKU
Na základě výsledků přepočtu konstrukce byly zesíleny některé nosníky podlaží zvětšením průřezu. Některé sloupy byly zesíleny zvětšením průřezu přivařením zesilujících příložek k pásnicím, u některých byly zkráceny vzpěrné délky dodatečným ztužením. 

U ztužidel se zesílení provádělo několika způsoby. Kromě potřebného zesílení přípojů bylo nutné zesílit i pruty některých ztužidel. V jednodušších případech se pomocí příložek zesilovaly průřezy a dále se zkracovaly vzpěrné délky dodatečnými vzpěrami. 

Ve dvou případech ale zesílení profilu ani zkrácení vzpěrné délky nebylo možné navrhnout. Bylo nutné zcela změnit statický systém ztužení. Postup úpravy je schematicky naznačen na obrázku 7. Rekonstrukce byla provedena v době, kdy byl systém zatížen pouze vlastní tíhou konstrukce a technologie v době odstávky. Ke stávajícím ztužidlům byly namontovány diagonály nového systému. Aktivace nových diagonál byla provedena tak, že se stávající diagonály přerušily. Tím došlo k přerozdělení sil ze starého do nového systému. Poté byly přerušené diagonál znovu svařeny. Nové diagonály tak přenášejí celé stálé zatížení a poměrnou část užitného zatížení, původní diagonály pouze poměrnou část užitného zatížení. Původní diagonály jsou členěné pruty ze čtyř L160 × 16, nové jsou členěné pruty ze dvou U260 nebo plnostěnné I 300 × 300 z plechu P25. V diagonálách jsou síly v řádech tisíců kN, při samotné rekonstrukci přes 1 000 kN. Přerozdělení sil mezi původním a novým ztužidlem bylo řešeno i s ohledem na nutnost odlehčit nejzatíženější sloup celého skeletu, který byl na hraně únosnosti již v původním návrhu a navíc byl ještě přitížen novou technologií. Na obrázku 8 je pohled na část rekonstruovaného ztužidla.

ZÁVĚR
Rekonstrukce výměníku pro instalaci nové technologie byla realizována v zimě 2014/2015. Rozhodující práce byly prováděny při pravidelné zimní odstávce výroby cementu. Rekonstrukce s ohledem na stav původní konstrukce byla mnohem náročnější, než se původně předpokládalo při její přípravě. Průběžně bylo nutné řešit skutečnosti vyplývající z nesrovnalostí v původním návrhu nosné OK. Společným úsilím investora Cement Hranice, a. s. a generálního dodavatele technologie i stavební části Aliacem, s. r. o. se podařilo rekonstrukci realizovat v původních termínech bez narušení plánovaného zahájení výroby cementu po pravidelné zimní odstávce.

Reconstruction of Exchanger in Cement Plant in Hranice na Moravě
In cement plant in Hranice na Moravě, the cement has been produced since 1954. Originally, it was produced in so called wet way. At the end of the 1980s, an extensive reconstruction was performed in relation to switching to dry way of production, which, apart from building a new furnace with clinker cooler, also demanded the construction of a new exchanger. The exchanger itself is an 80-meter-high steel skeleton with ten main floors, where technological equipment weighing several thousands of tons are installed. When recalculating the load-bearing structure regarding the demand of installation of new platforms, several discrepancies were found in the original static proposal – in static adjustment as well as in the materials used. It was thus necessary to perform the reconstruction of the current main load-bearing steel construction and foundations within the installation of new technology. The construction works were performed in winter 2014/2015 during planned winter shutdown of furnace line and, despite the increased difficulty of repairs, there was no disruption in the planned term of initiation of cement production after a regular shutdown.

Autor

• Ing. Vácha Jaroslav Ph.D.