» Opravy masivních základů strojů v průmyslu

cz en

Opravy masivních základů strojů v průmyslu stavebních hmot pomocí vnesení dodatečného předpětí

Hlavní stránka » Technická řešení » Speciální statické práce » Opravy masivních základů strojů v průmyslu

Ing. Jiří Chalabala, PEEM, spol. s r.o.

1. Úvod

Průmysl stavebníh hmot patří mezi odvětví těžkého průmyslu, kde se používají mohutné výrobní stroje nebo agregáty o hmotnostech desítek, v případě rotačních pecí i stovek tun, které se při výrobním procesu pohybují a vzbuzují tak mimo značných statických účinků i velké dynamické účinky. Konkrétně se jedná o drtiče, třídiče, mlýny, sušárny, rotační pece, a další. Takový těžký stoj, agregát, zařízení se staví s vizí jeho funkce na desítky let, mnohdy na životnost celého závodu. Proto při jeho výstavbě musí být kladen velký zřetel na jeho založení, což představuje významnou položku stavební části investice, která rozhodně nesmí být podceněna.

Prakticky všechny cementárny a vápenky v České a Slovenské republice, které jsou v současnosti v provozu, byly založeny nebo postaveny za dob minulého, socialistického zřízení, v období 60 tých až 80 tých let. Samozřejmě jsou zde výjimky, jako je např. nová pecní linka v cementárně Horné Srnie, mlýnice vápenců v Mokré a další. Podstatně mladší jsou závody na výrobu SOMS, které vznikaly až 90 tých letech i později, protože dříve se tyto výrobky ve stavebnictví ( s výjimkou známého břizolitu ) nevyužívaly. Je tedy poměrně časté, že výrobní agregát má již za sebou 30 i 40 let provozu, což při jeho využití ve třísměnném, nebo i nepřetržitém provozu znamená již pomalu hranici životnosti.

Všechna zařízení procházejí běžnou strojní údržbou, pravidlem bývají generální opravy v období s nižší výrobou, ponejvíce s roční frekvencí. Mění se části běžného opotřebení nebo i celé větší součásti. V několika případech ( které zde budou popsány ), se ukázalo, že příčinu poruch nebo nadměrného opotřebení je potřeba hledat tam, kde by se běžně nečekala – v poruše železobetonu základů stroje nebo zařízení.

Mottem naší společnosti PEEM, spol. s r.o. je „od záměru k realizaci", snažíme se pomoci zákazníkovi s diagnostikou problému, návrhem jeho řešení, ale i realizací. Tak tomu bylo i v následujících případech, porušeném základu cementového mlýna a základu rotační pece v roce.

2. Základ cementového mlýna

2.1 Obecně

Jednalo se o cementový mlýn, trubnatý mlýn o průměru 4,4 m a délky 15 m. Celková provozní hmotnost mlýna je odhadována na 600 tun. Mlýn je poháněn přes ozubené kolo na plášti, do kterého jsou zapuštěny dva ozubené pastorky. Tyto jsou osazeny přes ocelovou frému a kotevní šrouby do masivního železobetonového bloku vybíhajícího z masivního základu mlýna.

Základová konstrukce byla zrealizována koncem 70 let minulého století. Před deseti lety začaly narůstat vibrace v místě pohonů pastorků, docházelo k nárůstu diference v ozubených spojích, povolovaly se kotevní šrouby. Oprava přinesla jen dočasnou nápravu. S postupujícími roky měly opravy stále menší účinnost a jejich nutný počet v průběhu roku vzrůstal. Bylo jasné, že dané zařízení není v pořádku a jako jednu z možností se uživatel zařízení rozhodl zadat stavebně statický průzkum konstrukce.

2.2 Stavebně statický průzkum

S návrhem základů pro tyto konstrukce, jejich prováděním a provozováním máme v oboru výroby maltových hmot 30 let zkušeností. Základ byl v průběhu předcházejících let opravován a byl opatřen cementovým pačokem. Bylo nutné celý základ očistit na původní beton. Dále byly vyhledány původní výkresy tvaru a výztuže a v nich byla objevena podstatná návrhová chyba jak co do tvaru konstrukce, tak i způsobu vyztužení. Tato spočívala v návrhu ostrého odskoku úložného bloku pohonů a ve vyztužení pouze po obvodu. Dynamicky namáhané konstrukce jsou citlivé na ostré změny tvaru, přechod tvaru konstrukcí má být postupný za použití náběhů. Výztuž takovýchto základů má být prostorová, v obou směrech v maximální vzdálenosti 400 mm. Byli jsme přesvědčeni o příčině poruchy, přesto byl základ z jedné strany odkopán k ověření skutečného provedení. K překvapení všech nebyl základ zrealizován dle dochované dokumentace, ale byl proveden lépe. Celý základový blok byl prohlouben až do úrovně základové spáry spodní betonové desky pod mlýnem. Bylo nutno hledat jinou příčinu.

Tvar a vyztužení základu dle původní dokumentace
Obrázek č. 1 : Tvar a vyztužení základu dle původní dokumentace

Byla provedena prohlídka očištěného základu s cílem nalézt případné trhliny či praskliny, ale bez úspěchu. Vycházeli jsme však z faktu, že u těžkých a značně zatížených konstrukcí, které jsou vystaveny velkému tlaku, jsou případné trhliny a praskliny tak sevřeny, že je prakticky nelze rozpoznat. Proto byla provedena opakovaná prohlídka. Tou se podařilo vytipovat kousek nad podlahou mírně změněnou strukturu betonu. Pomocí příklepové vrtačky pak byla určena vodorovná spára, kam šel vrták zavrtat o mnoho snadněji než do okolního betonu. Toto byla podstatná indicie, bylo však třeba prokázat, že základový blok je pravděpodobně v pracovní spáře oddělen od zbývající dolní části základu. Průkaz byl proveden pomocí jádrového vrtu, vodorovně vedeného předpokládanou trhlinou. Vyjmuté jádro bylo uprostřed vodorovně prasknuté a šlo bez problémů rozdělit na dva kusy. Vlivem vrtání pod vodou, došlo k vzlínání vody spárou, a dříve prakticky neviditelná prasklina se rozkryla a stala se viditelnou.

Prasklé jádro vrtu po jeho vyjmutí
Obrázek č. 2 : Prasklé jádro vrtu po jeho vyjmutí

Tímto postupem byla objevena další trhlina i v klidové fázi mlýna, i když byla sevřena. Voda jako taková se osvědčila i posléze při realizaci opravy, kdy při jádrovém vrtání byly rozkryty trhliny a praskliny, které průzkum neobjevil.

Voda proniká trhlinou v základu
Obrázek č. 3 : Voda proniká trhlinou v základu

Dlouhá svislá tmavá čára u obrázku vlevo ukazuje provlhčení v místě korodujícího kotevního šroubu. Plačící základ ukazuje vodorovnou prasklinu. Na tato zjištění bylo reagováno až v průběhu opravy základu.

Poslední průkaz oddělení horní části základu od spodní byl proveden pomocí tenzometrického měření.

Umístění snímačů
Obrázek č. 4 : Umístění snímačů

Jeden snímač byl umístěn přes trhlinu pro měření jejího rozšiřování, druhý snímač byl umístěn na neporušeném bloku betonu v blízkosti pro kontrolu a eliminaci případného šumového signálu.

Časový průběh rozevření trhliny během náběhu a krátkodobého chodu
Obrázek č. 5 : Časový průběh rozevření trhliny během náběhu a krátkodobého chodu

Provedené měření prokázalo, že obě části betonu jsou od sebe horizontálně odděleny a jednotlivé bloky jsou provázány výztuží v betonu. Opakované namáhání vyvolává únavové opotřebení této výztuže a je jen otázka času, kdy dojde k jejímu prasknutí. Při provádění opravy základu byly vyjmuty na jedné straně základu jádrové vývrty s dlouhými vertikálními trhlinami.

Jádrový vývrt s trhlinami
Obrázek č. 6 : Jádrový vývrt s trhlinami

Bylo prokázáno, že základ mlýnu je popraskán jak horizontálně, tak i vertikálně a toto poškození je jen velmi těžko zjistitelné.

2.3 Oprava základu

Princip opravy byl zvolen poměrně jednoduchý a to tak, že uvolněné části betonu budou sešity pomocí ocelových lan, která budou předepnuta. Předpínací síla pak části odděleného betonu spojí dostatečným tlakem tak, že beton v tomto místě nebude vystaven tahu. Tím dojde k tomu, že betonový blok se opět začne chovat jako jeden spojitý funkční celek. Nebude vůbec docházet k tahovému namáhání betonu, s kterým se beton obecně špatně vyrovnává, ale naopak beton bude vystaven trvalému nízkému tlaku. Deformace betonu se budou odehrávat pouze v pružné oblasti materiálu.

Dalším krokem bylo uvažované sepnutí realizovat. Kolmo na horizontální trhlinu bylo třeba provést řadu jádrových vrtů hlubokých minimálně 5 m. S ohledem na obtížnou přístupnost byla zvolena ruční elektrická vrtací technika. Pro vrtání byly použity prodloužené korunky opatřené vylamovačem jádra, které umožnily dlouhé svislé vrtání a vyjmutí jádra. Takto vytvořený vrt byl v místech mrtvého kotvení lan rozšířen specielní frézou (technické řešení vyvinuté firmou PEEM, spol. s r. o.) a tím byl vytvořen předpoklad hmoždíkového spoje. Do vyčištěného a vysátého vrtu byl vložen armokoš s lany odstupňovaně opatřenými mrtvým kotvením. Použitá lana byla typu Monostrand v masivním plastovém obalu odděleném od vlastního lana vrstvou vosku umožňující pohyb lana s nízkým třením. Vystrojený vrt byl zainjektován pomocí vysoko pevnostní objemově stálé silikátové hmoty pomocí čerpadla a injektážích trubek od spodu vrtu. Odstupňované mrtvé kotvení lan vneslo do spodní části základu napětí postupně a rovnoměrně. V horní části opravovaného základu byla lana osazena do masivních ocelových kotevních desek, které byly vyzvednuty až do horní úrovně frémy. Tím lana posílila kotevní šrouby. Lana byla osazena tříčelisťovými kotvami, každé bylo předepnuto silou 200 kN, ošetřena protikorozní vazelínou a zavíčkována.

Základový blok, který byl popraskán i svisle byl doplněn vodorovnými vrty kolmo na trhliny.

Předepnutí základu lany a jejich ukotveníPředepnutí základu lany a jejich ukotvení
Předepnutí základu lany a jejich ukotveníPředepnutí základu lany a jejich ukotvení
Obrázek č. 7-11 : Předepnutí základu lany a jejich ukotvení

2.4 Závěr

Aplikací jádrového vrtání, osazením předpínacích lan, injektováním a předpínáním se podařilo vysoce efektivně obnovit funkci masivního železobetonového základu s dlouhou životností.

3. Základ rotační pece

Druhým příkladem použití technologie vnesení dodatečného předpětí byla oprava základu č. 2 rotační pece. Tato část rotační pece je značně namáhána, neboť zde začíná slinovací pásmo a materiál je vynášen vysoko otáčkami pece a přepadává dolů.

Řez základem rotační pece
Obrázek č. 12 : Řez základem rotační pece

3.1 Definice problému

V tomto případě docházelo opakovaně ke zvýšenému opotřebení radiální kladky rotační pece. Zákazník se rozhodl nainstalovat tzv. pružné uložení radiální kladky rotační pece, které je schopno reagovat na otřesy a vybočení pece. Před instalací pružného uložení, skládajícího se ze dvou samostatných dílů, provedla běžná stavební firma vyspravení základu standardním sanačním systémem a tak dokonale těmito kosmetickými úpravami zamaskovala všechny dřívější vady a poruchy v základu.

Nově instalovaný systém uložení radiálních kladek nepřinesl očekávané zlepšení, ale naopak začalo docházet k výraznému poškozování kladek. V této fázi byl kromě jiných profesí přizván statik, aby provedl prohlídku stávajícího stavu základu, ale tento nenalezl žádnou vadu či poruchu, která by signalizovala porušení základu. Beton vlivem obrovské tíhy od pece nevykazoval žádné praskliny či jiné poruchy. Po sérii oprav radiálních kladek se po cca ¾ roce provozu objevila v základu z vnější strany rovnoběžně s rotační pecí podélná trhlina. Toto byl první signál, že závada je ve vlastním betonovém základu.

Po vyhledání původní dokumentace, jejím digitalizování a poskládáním jednotlivých vrstev na sebe, vyplynulo, že rám je vložen v betonové koruně základu, která není prakticky vyztužena. Propojení této kry s ostatním základem bylo realizováno přes původní kotevní šrouby několika po sobě následujících generací kotevních frém. Tato betonová kra se skrytě oddělila od ostatního betonu, rozlomila se na dvě části, které rotační pec roztlačovala od sebe vlastní tíhou. Tím drtila podkladní beton základu.

3.2 Řešení

Investor se rozhodl, že se vrátí k variantě celistvého rámu a objednal si kompletní opravu základu.

Podepřodení a zavěšení rotační pece
Obrázek č. 13 : Podepřodení a zavěšení rotační pece

Narušené a poškozené části betonu bylo třeba odstranit. Celá koruna vrcholu základové pece byla odřezána pomocí dvou lanových pil. Řez byl veden v pěti základních polích tak, aby šlo s odbouraným betonem manipulovat. Následně byla

spára na odřezaném betonu opatřena množstvím svislých vrtů, do kterých byla vlepena výztuž propojující starý a budoucí beton.

Vrtání svislých vrtů
Obrázek č. 14 : Vrtání svislých vrtů

Svislá výztuž
Obrázek č. 15 : Svislá výztuž

Pracovní spára byla opatřena adhezním můstkem a mezi propojovacími trny byla vyvázána prostorová výztuž. Mezi ni byla přesně ve spádu vložena nová fréma pro kladky. Protože koruna rotační pece je vystavena kromě tlakových účinků také silnému teplotnímu působení, aby se předešlo popraskání železobetonu, byla betonová směs kromě klasické betonářské výztuže vyztužena také mikrovýztuží z umělohmotných vláken. Protože betonáž probíhala v zimním období, byla tepelná stabilita nového betonu zajištěna pomocí odporového elektrooohřevu, který zajistil, aby beton nepromrznul.

Po osazení nové frémy a betonáži základu byla do předvrtaných otvorů vložena předpínací výztuž. Přes tuto výztuž je do betonu vnesena tlaková síla, která zcela eliminovala smykové – tahové namáhání betonu od koncové části masivní ocelové frémy. Beton je potom namáhán pouze ve své pružné oblasti poklesem tlaku. Tím je výrazně zvýšena životnost betonového základu, neboť je zcela vyloučeno nevhodné tahové namáhání betonu.

Předpínací výztuž
Obrázek č. 16 : Předpínací výztuž

Původní kotevní šrouby betonu byly odřezány a nahrazeny novými. Kde to šlo, prošly šrouby volně celým základem do meziprostoru a tam se opřely přes hlavu a kotevní desku o spodní hranu základové desky. V ostatních případech byly šrouby vlepeny do betonu pomocí vysokopevnostní zálivkové hmoty. V horní části byly šrouby pomocí vazelíny separovány od nového betonu. Tím byl zajištěn přenos tahu od šroubu do spodních vrstev železobetonu a tím bylo vyloučeno tahové namáhání horní vrstvy betonu a vyloučeno tak její poškození.

4. Další možnosti aplikace

Zpevnění konstrukcí pomocí vnesení dodatečného předpětí nachází využití nejen při opravě masivních základů, ale je možné je zevšeobecnit na různé nosné konstrukce. Společnost PEEM vyvinula ucelený systém zesílení železobetonových konstrukcí pro stávající haly s vestavěnými jeřábovými dráhami, které slouží v závodech výroby stavebních hmot např. jako pomocné provozy nebo sklady surovin apod.

U výrobních hal, které jsou tvořeny železobetonovou konstrukcí s vestavěnou jeřábovou dráhou se často setkáváme s požadavkem na záměnu mostového jeřábu za jeřáb s vyšší nosností.

Stará hala, její část nebo jeřábová dráha však zvýšeným požadavkům na zatížení nevyhovuje. Inteligentní a elegantní řešení obtížného problému spočívá v aplikaci high-tech technologie - zpevnění stávajících železobetonových konstrukcí pomocí předpínacích kotevních lan Monostrand. Společnost PEEM nabízí komplexní řešení těchto problémů :

  • zesílení nosníku / průvlaku jeřábové dráhy
  • zesílení nosníku / průvlaku, střešního vazníku haly
  • zesílení krátké konzoly sloupu
  • zesílení základové patky sloupu, jeho dříku
  • snížení průhybu mostového jeřábu, zvýšení jeho nosnosti

Příklad řešení zvýšení únosnosti konzoly pomocí vnesení předpětí je na následujících obrázcích. Nosnost konzoly tak lze zvýšit až o 500 % při prodloužení její životnosti.

Návrh řešení předepnutí konzoly
Obrázek č. 17 : Návrh řešení předepnutí konzoly

Realizovaná konzola
Obrázek č. 18 : Realizovaná konzola

Na řešení zesílení konzoly pomocí vnesení dodatečného předpětí byl autorovi a kolektivu udělen v roce 2009 Evropský patent 1705313.

Europatent