Zkušenosti a zajímavosti z projektování ocelových konstrukcí pro technologická zařízení

• Foto

VSTUPNÍ DATA
Zákazník nám jako vstupní data poskytnul základní půdorysný a výškový rastr uspořádání ocelové konstrukce s fixně definovanou polohou a roztečí sloupů. Tato základní geometrie konstrukce byla vynesena v Tekla Structures 3D. Jako další důležitý podklad nám byla poskytnuta 3D data ve formátech DGN, STP či IGS jednotlivých technologických zařízení. Díky schopnosti softwaru Tekla importovat tyto formáty bylo možné poskládat veškerá 3D data do jednoho modelu s již vynesenou geometrií ocelové konstrukce. V tento moment se provedl export schématu konstrukce z Tekla Structures do výpočtového softwaru Scia Engineer.

VÝPOČTOVÝ MODEL
Hlavním podkladem pro statický výpočet byly datové listy jednotlivých zařízení. V těchto listech byla definována jak funkce, tak veškerá zatížení působící na ocelovou konstrukci. Kromě stálého a užitného zatížení byly zadány parametry provozního a mimořádného zatížení tj. extrémní naplnění, znečištění (zanesení popílkem) a tlakové efekty v potrubních rozvodech. Vlivy teplotních změn v technologických zařízeních byly minimalizovány vhodnou kombinací pevných a kluzných podpor. Varianty pevného a kluzného podepření (s ohledem na funkci zařízení) byly významné vzhledem ke stanovení sil vstupujících do ocelové konstrukce. Pro zabránění přenosu tepla do ocelové konstrukce byly na stycích zařízení a konstrukce vkládány tepelně izolační vložky. Díky již existujícímu 3D modelu včetně externích referencí v Tekla Structures mohl statik plně využívat tento model při zadávání a umístění zatížení. Software Tekla v tomto ohledu sloužil jako nezbytný pomocník.

Pro návrh jednotlivých prvků bylo třeba splnit několik požadavků. Například, že veškeré sloupy jsou vždy uloženy kloubově. Ztužující systémy konstrukce (vodorovné
nebo svislé) se uvažují primárně jako úhelníky do kříže za předpokladu, že úhelník nepůsobí v tlaku. V případě uvažování prvku v tlaku se používají kruhové trubky. Pro takto nastavené parametry bylo nutné provést nelineární výpočet. Při posuzování mezních stavů bylo zákazníkem zadáno, že limit pro využití prvků při MSÚ je maximálně 85 %. Pro MSP musely být respektovány buď jednotlivé NAD (národní aplikační dokumenty) v daných zemích pro povolené přípustné deformace nebo v jednom případě si i zákazník vyžádal vyšší nároky na přípustné deformace.

KONSTRUKČNÍ MODEL
Po provedení statického výpočtu a optimalizaci jednotlivých prvků byly navržené profily aktualizovány v detailním 3D modelu Tekla Structures. V každém kroku konstrukčního modelu muselo být pamatováno na dodržování příslušných norem EN ISO 14 122 – 1 až 4, které jak známo pojednávají o trvalých prostředcích přístupu ke strojním zařízením, tj. veškeré navrhované plošiny, lávky, schodiště, zábradlí a žebříky byly konstruovány s ohledem na tyto normy. Co se týká podlahových roštů, definoval zákazník několik požadavků. V nosném směru je maximální rozpětí nosného pásku 1 metr, nosný pásek je na lávkách vždy orientován kolmo na podélník (odstranění pocitu závrati při chůzi) a v každém patře je pokud možno dodržen jednotný směr nosných pásků. Tato kritéria s sebou přinášela další návrhy doplňujících prvků nutných k podepření roštů. Díky požadavkům na normy a podlahové rošty docházelo ke zpětné vazbě mezi konstruktérem a statikem a výpočtový model musel být souběžně aktualizován.

Pro provádění kloubových přípojů nosníku na nosník, případně na sloup byly v maximální možné míře využívány dvojice šroubovaných přípojných úhelníků. Tento systém se osvědčil jednak v jednoduchosti následných dílenských výkresů nosných prvků (pouze automatické kótování otvorů ve stojinách), tak i poté u výrobce ocelové konstrukce (minimalizace svařování např. přípojných plechů). Naopak svařování do celých dílců bylo užíváno například u jednoduchých lávek, čímž se zase snižovala pracnost šroubování na montáži. U propojovacích lávek nebo plošin byly mezi ocelovou konstrukcí a technologickým zařízením vždy dodrženy volné rotace v přípoji, aby se zamezilo vnášení dodatečných sil do konstrukce v důsledku teplotních změn v zařízeních.

Pro slzičkové plechy a již zmiňované podlahové rošty byly požadovány pouze výkresy obrysů ploch s vyznačením nosného směru pásků a případných okopových plechů (např. okolo otvorů v podlaze). Jak je již dnes běžné, nářezové a kladecí výkresy byly zhotoveny výrobcem a nebyly součástí naší práce.

V případě požadavku na žárové zinkování konstrukce musely být veškeré prvky a přípoje opatřeny odtokovými otvory, což znamenalo pro konstruktéra nemalý úkol (kvantitativně) již v úrovni modelování konstrukce a přípojů. 

Pokud jde o používání materiálu oceli, pro běžné prvky byla používána ocel S235JR, pro více zatížené prvky a nosníky jeřábových drážek ocel S355J2. Výjimkou byl dánský projekt Odense, kde zákazník pro materiálové tloušťky > 16mm nepovolil užívání oceli s označením jakostního stupně JR z důvodu možných nízkých teplot při montáži a za provozu.

VÝSTUPNÍ DATA
Po dokončení konstrukčního modelu v Tekla Structures byl projektantovi technologických zařízení poslán 3D DWG výstup s dodrženým GSS (globální souřadný systém). Projektant technologií si soubor načetl do svého konstrukčního softwaru, provedl jednak kontrolu kolizí a také dokončil zamýšlené detaily připojení na ocelovou konstrukci. Po vzájemném a jasném definování rozhraní byly tyto aktuální požadavky zapracovány a dokončeny detaily příprav na prvcích ocelové konstrukce.

Po oboustranném odladění a odsouhlasení konstrukčních modelů byla zpracována kompletní dílenská (výkresy dílců a položek) a projekčně-montážní dokumentace
(u prvku se popisoval jak profil, tak číslo dílce zároveň) ocelové konstrukce. Ze softwaru Tekla Structures byl pro výrobce ocelové konstrukce využit export NC dat pro plechy a profily a pro montážní práce 3D prohlížeče s popisem čísel dílců. Průběh výroby a montáže proběhl bez významných problémů a připomínek.

KONSTRUKČNÍ ZAJÍMAVOST
Dovolil bych si uvést jednu zajímavost v „našich zeměpisných šířkách“ zřídka vídanou. Novinkou pro náš tým konstruktérů byl britský systém zábradlí. Jednalo se o samostatné sloupky s kulovými „styčníky“ v úrovních horního madla a mezimadla. Sloupek byl již hotovým výrobkem s navařenou patní deskou, přes kterou se na montáži šrouboval k nosníku. Styčníkem se následně protahovala madla a zajišťovala se ve styčnících skrz malý otvor samořeznými šrouby. Nakonec byly doladěny rohy zábradlí, kdy se madla stykovala zasunutím expanzní vložky se stavěcím šroubem uprostřed.

Tento systém byl i pro nás jako konstruktéry výhodný, neboť zcela odpadla výrobní dokumentace jednotlivých dílců zábradlí a vykazovala se pouze délka madel, počet rohových prvků a expanzních vložek.

ZÁVĚR
Jako povinnost a do budoucna nezbytnou nutnost považuji při projektování těchto typů staveb užívání 3D softwaru napříč všemi profesemi s možností vzájemného exportu/importu 3D dat. Díky tomu mohla probíhat mezi projektantem OK a ostatních technologických zařízení rychlá výměna aktuálních změn, úprav a nových požadavků. Vzhledem k vnitřní složitosti konstrukce a stísněnosti prostoru mohly obě strany optimalizovat svá řešení a předcházet tak možným problémům v dalším průběhu projektu a realizace.

Experience and Interesting Features Regarding Design of Steel Structures for Technological Equipment
In 2011, our engineer´s office was addressed by a West-European designer and supplier of technological equipment for newly established or modernised power plants operating on the principle of energy use of waste. This company was looking for a steel structure designer for their technological equipment, able to lead a project in a foreign language. Helsinki, Finland was the first and trial project. Both sides succeeded in the test of mutual cooperation, and we have participated in further implementations, e.g. in British Cardiff or Danish Odense since then.

Autor

• Ing. Sedláček Petr