Reinforcement solution of damaged load-bearing frame structure in a coal power plant for additional loads

• Autorzy: Skibicki Szymon , Wróblewski Tomasz , Paczkowski Wiesław , Kozieł Krzysztof , Matyl Marcin , Wiśniowski Maciej

Identyfikatory

DOI

10.24425/ace.2024.148903

Warianty tytułu

PL

Przystosowanie uszkodzonej ramowej konstrukcji nośnej elektrowni węglowej do wprowadzenia dodatkowych obciążeń

• Języki publikacji: EN

Abstrakty

EN

Significant subsoil deformation and additional loads from the new denitrification unit caused a major problem with the load-bearing capacity of the coal power plant. It was necessary to perform an advanced assessment of the technical condition of the structure. Laser scanning (LiDAR) were used to obtain detailed data upon structure. Based on the analysis of the point cloud, the location of the column axes was determined, which allowed to determine the global and local displacements of the structure. Spatial models of the structure were created. Non-linear analyses of the structure were carried out using two types of models: 1) global beam-shell 3D models of the boiler room used to calculate the magnitude of internal forces and deformations of the structure; 2) local beam-shell detailed models of selected structural elements. Based on the results of the calculations, necessary reinforcement of the structure was designed and successfully implemented. Advanced analysis of the structure using laser scanning, subsoil monitoring and complex numerical models made it possible to perform only local reinforcements of the entire complex structure.

PL

Przykłady sytuacji mogących zagrozić nośności konstrukcji możemy spotkać w polskich elektrowniach, gdzie prowadzone są prace modernizacyjne, których głównym celem jest dostosowanie instalacji spalania do krajowych i unijnych wymogów środowiskowych. Modernizacje te nierzadko wprowadzają nowe oddziaływania na istniejące, mające długi okres eksploatacji konstrukcje budynków elektrowni. Opisany w referacie problem pojawił się w trakcie prac dotyczących opracowania dokumentacji projektowej konstrukcji wsporczej reaktora odazotowania spalin SCR. Wykonanie zabudowy SCR wiązało się z wprowadzeniem nowych sił poziomych działających na konstrukcję nośną kotłowni. W ramach analizy wpływu tego oddziaływania na istniejącą konstrukcję, projektant ustalił, że konstrukcja ta uległa przeciążeniom wskutek nierównomiernego osiadania podłoża i ze była ona już częściowo wzmacniana. Sytuacja ta wymagała przeprowadzenia szczegółowych analiz i opracowania projektu wzmocnień. Analizowany i wzmacniany obiekt to stalowa konstrukcja szkieletowa kotłowni elektrowni węglowej, wybudowanej w latach 70. XX wieku. Analiza objęła obszar czterech bloków (fig. 1, fig. 2). Konstrukcja kotłowni składa się z czterech oddylatowanych części o wymiarach 72 x 36 m. Prezentowana konstrukcja to wielokondygnacyjna konstrukcja szkieletowa ze sztywnymi tarczami stropowymi o podstawowym module siatki słupów 12 9 m. W każdej oddylatowanej części obiektu znajdują się dwa kotły podwieszone do rusztu opartego na wierzchołkach słupów. Na figurze 1 pokazano schemat statyczny konstrukcji. Genezą przeprowadzenia zaawansowanej oceny technicznej stanu konstrukcji – poza opisaną w punkcie 1 modernizacją – były liczne uszkodzenia konstrukcji. Szczególnie wyraźnie ujawniły się one w krzyżulcach pionowych układów stężających (fig. 4). Analizując zinwentaryzowane w obiekcie uszkodzenia można wyodrębnić uszkodzenia polegające na: 1) lokalnej utracie stateczności ścianek prętów; 2) globalnej utracie stateczności prętów; 3) uszkodzeniach miejscowych polegających np. na zerwaniu prętów rozciąganych. Przykładowe uszkodzenia przedstawiono na figurze 4. Główną przyczyną uszkodzeń były nierównomierne osiadanie konstrukcji. Konstrukcje tak złożone jak stalowy szkielet nośny kotłowni elektrowni węglowej wykazują bardzo wysoki stopień wrażliwości na nierównomierne osiadanie podłoża. Wynika to z wysokiego stopnia statycznej niewyznaczalności oraz dodatkowego czynnika, jakim jest zawieszenie kotłów (o masie ok. 3600 t każdy) na ruszcie opierającym się na wierzchołkach słupów nośnych na poziomie ok. 60 m. Skaning laserowy konstrukcji jest metodą inżynierską, która umożliwia pomiar nawet bardzo skomplikowanych konstrukcji budowlanych [1–13]. Pozwala na określenie szczegółowych wymiarów konstrukcji lub jej części [23], jej imperfekcji [7] czy tez jej globalnego stanu deformacji [11, 14]. W celu wykonania szczegółowej inwentaryzacji konstrukcji oraz stanu jej globalnej deformacji wykorzystano metodę skaningu laserowego (LiDAR). Uzyskana podczas skaningu laserowego chmura punktów (w wersji skompresowanej zajmuje około 460 GB) dała informację na temat szczegółowej morfologii konstrukcji, wymiarów przekrojów elementów prętów oraz pozwoliła na szczegółową inwentaryzację uszkodzeń. Poza uzyskaniem szczegółowych danych geometrycznych (fig. 1) skaning laserowy posłużył do ustalenia globalnego stanu deformacji konstrukcji. Na podstawie analizy danych z chmury punktów określono kształt osi słupów obrazujący stan przemieszczeń konstrukcji od obciążeń i osiadań działających w okresie eksploatacji elektrowni. Stworzono kilka modeli obliczeniowych. Analizy prowadzono zarówno w zakresie statyki liniowej jak i nieliniowej uwzględniając nieliniowości geometryczne oraz materiałowe. Podczas analiz uwzględniano przewidziane normami łukowe oraz przechyłowe imperfekcje konstrukcji. Analizy prowadzone z wykorzystaniem modelu zakładającego liniową pracę konstrukcji uniemożliwiły właściwą ocenę stanu wytężenia konstrukcji – siły przekazywane ze stężeń na słupy (w wyniku nierównomiernego osiadania) wielokrotnie przekraczały nośność prętów stężeń. W związku z tym podjęto decyzję o zastosowaniu modelu nieliniowego, uwzględniającego wpływ degradacji sztywności tężników pionowych na wielkości sił w słupach. Degradacja sztywności spowodowana była wyboczeniem prętów ściskanych i uplastycznieniem/zerwaniem stężeń rozciąganych. Analizy nieliniowe przeprowadzono z wykorzystaniem dwóch typów modeli obliczeniowych: 1) globalnych: prętowo – powłokowych modeli 3D budynku kotłowni służących do obliczania wielkości sił wewnętrznych i przemieszczeń konstrukcji. 2) lokalnych: prętowo-powłokowych szczegółowych modeli wybranych elementów konstrukcyjnych. Z uwagi na lokalne spiętrzenia naprężeń w słupach, w obszarze połączeń z ryglami konieczna była ocena wielkości rezerwy plastycznej. Uzyskane wyniki obliczeń posłużyły do oceny wytężenia słupów i analizy stateczności globalnej konstrukcji. Na tej podstawie opracowano projekt wzmocnień. Liczne analizy na modelach globalnych i lokalnych, doprowadziły do wprowadzenia systemu wzmocnień konstrukcji składającego się z lokalnych napraw. System wzmocnień pozwolił na przywrócenie bezpieczeństwa konstrukcji przy minimalnym nakładzie pracy i niewielkiej ingerencji w istniejącą infrastrukturę. Takie podejście wymagało opisanych w referacie bardzo złożonych analiz numerycznych wykonanych na podstawie szczegółowych danych uzyskanych z monitoringu geodezyjnego oraz chmury punktów. Podstawowe wnioski z niniejszej pracy można przedstawić następująco: 1) zastosowanie liniowej analizy statycznej prowadziło do niewłaściwej oceny stanu technicznego (uzyskane wyniki wykazywały kilkukrotne przekroczenia nośności prętów stężeń); 2) uzyskanie poprawnych wyników obliczeń było możliwe na podstawie zaawansowanych modeli nieliniowych uwzgledniających nieliniowości materiałowe, geometryczne, imperfekcje oraz nieliniowe przeguby wprowadzane lokalnie w miejscach istniejących uszkodzeń prętów; 3) stopień skomplikowania obiektu wymagał zastosowania zaawansowanych technik pomiarowych w postaci skaningu laserowego (LiDAR) w celu uzyskania danych dotyczących konstrukcji oraz jej przemieszczeń/deformacji. Uzyskanie tych danych metodami tradycyjnymi byłoby niemożliwe; 4) niezbędne było wykorzystanie danych z monitoringu geodezyjnego podpór, w celu poprawnej oceny wytężenia konstrukcji; 5) zastosowanie lokalnych wzmocnień konstrukcji pozwoliło przywrócić jej poprawną i bezpieczną pracę. Na podstawie złożonych analiz numerycznych i przy wykorzystaniu zaawansowanych technik pomiarowych udało się skutecznie wzmocnić istniejącą konstrukcję oraz zaprojektować i zrealizować konstrukcję wsporczą reaktora SCR w sposób nie pogarszający jej pracy i bezpieczeństwa.

Słowa kluczowe

EN

steel superstructure; subsoil settlement; coal plant; laser scanning; LiDAR; TLS

PL

osiadanie podłoża; elektrownia węglowa; skanowanie laserowe; LiDAR; konstrukcja nośna stalowa

• Wydawca: Komitet Inżynierii Lądowej i Wodnej PAN ; Politechnika Warszawska, Wydział Inżynierii Lądowej
• Czasopismo: Archives of Civil Engineering
• Rocznik: 2024
• Tom: Vol. 70, nr 1
• Strony: 121--139
• Opis fizyczny: Bibliogr. 27 poz., rys., tab.

Twórcy

autor

Skibicki Szymon

• West Pomeranian University of Technology in Szczecin, Faculty of Civil and Environmental Engineering, al. Piastów 50a, 70-311 Szczecin, Poland

• https://orcid.org/0000-0002-2918-7759

autor

Wróblewski Tomasz

• West Pomeranian University of Technology in Szczecin, Faculty of Civil and Environmental Engineering, al. Piastów 50a, 70-311 Szczecin, Poland

• https://orcid.org/0000-0003-3731-1542

autor

Paczkowski Wiesław

• West Pomeranian University of Technology in Szczecin, Faculty of Civil and Environmental Engineering, al. Piastów 50a, 70-311 Szczecin, Poland

• https://orcid.org/0000-0003-3228-9198

autor

Kozieł Krzysztof

• Optimal Design of Structures Krzysztof Kozieł, ul. Na Piasku 12a, 44-122 Gliwice, Poland

• https://orcid.org/0000-0002-2050-7154

autor

Matyl Marcin

• Optimal Design of Structures Krzysztof Kozieł, ul. Na Piasku 12a, 44-122 Gliwice, Poland

• https://orcid.org/0000-0003-1563-3284

autor

Wiśniowski Maciej

• Silesian University of Technology, Faculty of Civil Engineering, ul. Akademicka 2A, 44-100 Gliwice, Poland

• https://orcid.org/0000-0001-9902-9660

Bibliografia

• [1] A. Biegus and K. Rykaluk, “Collapse of Katowice Fair Building”, Engineering Failure Analysis, vol. 16, no. 5, pp. 1643–1654, 2009, doi: 10.1016/j.engfailanal.2008.11.008.
• [2] W. Paczkowski and S. Skibicki, “Corrosion as a cause of the failure of the pipeline steel supporting structure”, MATEC Web of Conferences, vol. 284, art. no. 9006, 2019, doi: 10.1051/matecconf/201928409006.
• [3] G.-S. Tong, Y.-L. Pi, and M. Bradford, “Buckling failure of an unusual braced steel frame supporting an electric dust-catcher”, Engineering Failure Analysis, vol. 16, no. 7, pp. 2400–2407, 2009, doi: 10.1016/j.engfailanal.2009.03.027.
• [4] Z.F. Alemdar and F. Alemdar, “Progressive collapse of a steel structure under expected snow loads”, Engineering Failure Analysis, vol. 125, art. no. 105378, 2021, doi: 10.1016/j.engfailanal.2021.105378.
• [5] G. Piskoty, L. Wullschleger, R. Loser, A. Herwig, M. Tuchschmid, G. Terrasi, “Failure analysis of a collapsed flat gymnasium roof”, Engineering Failure Analysis, vol. 35, pp. 104–113, 2013, doi: 10.1016/j.engfailanal.2012.12.006.
• [6] F. ALMahdi, A. Dogangün, F. Genç, W. Rasekh, M. Timuragaoglu, “Investigation of snow-induced collapse in Bozüyük market”, Engineering Failure Analysis, vol. 118, art. no. 104822, 2020, doi: 10.1016/j.engfailanal.2020.104822.
• [7] A. Kozlowski and D. Kukla, “Numerical investigation of steel frame robustness under external sudden column removal”, Archives of Civil Engineering, vol. 69, no. 2, pp. 177–193, 2023, doi: 10.24425/ace.2023.145262.
• [8] J. Ślusarek and M. Łupiezowiec, “Analysis of damage to structures as a result of soil suffusion”, Engineering Failure Analysis, vol. 120, art. no. 105058, 2021, doi: 10.1016/j.engfailanal.2020.105058.
• [9] V. Ordiales Martinez, M. Alvarez Fernández, and C. González Nicieza, “Failure analysis of subsidence in an effluent treatment plant in a thermosolar power plant”, Engineering Failure Analysis, vol. 91, pp. 419–432, 2018, doi: 10.1016/j.engfailanal.2018.04.054.
• [10] L. Macedo and J. Castro, “Collapse performance assessment of steel moment frames designed to Eurocode 8”, Engineering Failure Analysis, vol. 126, art. no. 105445, 2021, doi: 10.1016/j.engfailanal.2021.105445.
• [11] K. Wierzbicki, P. Szewczyk, W. Paczkowski, T. Wróblewski, and S. Skibicki, “Torsional Stability Assessment of Columns Using Photometry and FEM”, Buildings, vol. 10, no. 9, art. no. 162, 2020, doi: 10.3390/buildings10090162.
• [12] M. Dudek, J. Rusek, K. Tajduś, and L. Słowik, “Analysis of steel industrial portal frame building subjected to loads resulting from land surface uplift following the closure of underground mines”, Archives of Civil Engineering, vol. 67, no. 3, pp. 283–298, 2021, doi: 10.24425/ace.2021.138056.
• [13] B. Stawiski, T. Kania, D. Beben, A. Rak, and Z. Perkowski, “Building diagnostics versus effectiveness of repairs”, MATEC Web of Conferences, vol. 174, art. no. 03005, 2018, doi: 10.1051/matecconf/201817403005.
• [14] R. Nowak, R. Orłowicz, and R. Rutkowski, “Use of TLS (LiDAR) for Building Diagnostics with the Example of a Historic Building in Karlino”, Buildings, vol. 10, no. 2, art. no. 24, 2020, doi: 10.3390/buildings10020024.
• [15] C. Suchocki and J. Katzer, “TLS Technology in Brick Walls Inspection”, in: Baltic Geodetic Congress (BGC Geomatics 2018). IEEE, 2018, doi: 10.1109/BGC-Geomatics.2018.00074.
• [16] J. Zaczek-Peplinska, M. E. Kowalska, and E. Nowak, “Selected aspects of data harmonization from terrestrial laser scanning”, Archives of Civil Engineering, vol. 68, no. 3, pp. 429–445, 2022, doi: 10.24425/ace.2022.141895.
• [17] J.S. Pozo-Antonio, I. Puente, M.F.C. Pereira, and C.S.A. Rocha, “Quantification and mapping of deterioration patterns on granite surfaces by means of mobile LiDAR data”, Measurement, vol. 140, pp. 227–236, 2019, doi: 10.1016/j.measurement.2019.03.066.
• [18] C. Suchocki, M. Jagoda, R. Obuchovski, D. Šlikas, and J. Sužiedelyte-Visockiene, “The properties of terrestrial laser system intensity in measurements of technical conditions of architectural structures”, Metrology and Measurement Systems, vol. 25, no. 4, pp. 779–792, 2018, doi: 10.24425/mms.2018.124886.
• [19] W. Paczkowski, T. Wróblewski, and S. Skibicki, “Skanowanie laserowe stalowej konstrukcji elektrowni węglowej”, Builder, vol. 273, no. 4, pp. 22–25, 2020, doi: 10.5604/01.3001.0013.8793.
• [20] X. Xiong, A. Adan, B. Akinci, and D. Huber, “Automatic creation of semantically rich 3D building models from laser scanner data”, Automation in Construction, vol. 31, pp. 325–337, 2013, doi: 10.1016/j.autcon.2012.10.006.
• [21] M. Song, S. Yousefianmoghadam, M.-E. Mohammadi, B. Moaveni, A. Stavridis, and R.Wood, “An application of finite element model updating for damage assessment of a two-story reinforced concrete building and comparison with lidar”, Structural Health Monitoring, vol. 17, no. 5, pp. 1129–1150, 2018, doi: 10.1177/1475921717737970.
• [22] G. Cha, S. Park, and T. Oh, “A Terrestrial LiDAR-Based Detection of Shape Deformation for Maintenance of Bridge Structures”, Journal of Construction Engineering and Management, vol. 145, no. 12, art. no. 04019075, 2019, doi: 10.1061/(ASCE)CO.1943-7862.0001701.
• [23] P. Stałowska, C. Suchocki, and M. Rutkowska, “Crack detection in building walls based on geometric and radiometric point cloud information”, Automation in Construction, vol. 134, art. no. 104065, 2022, doi: 10.1016/j.autcon.2021.104065.
• [24] W. Paczkowski and A. Pełka-Sawenko, “Wzmocnienie słupów stalowej konstrukcji szkieletowej w warunkach osiadania podłoża”, Inżynieria i Budownictwo, vol. 67, no. 4, pp. 261–265, 2011.
• [25] W. Paczkowski and S. Skibicki, “Przeciążenie stężeń stalowego szkieletu kotłowni spowodowane gradientem pola osiadań podłoża”, Materiały Budowlane, vol. 2018, no. 4, pp. 50–51, 2018, doi: 10.15199/33.2018.04.13.
• [26] A. Leonov, M. Anikushkin, A. Ivanov, S. Ovcharov, A. Bobkov, and Y. Baturin, “Laser scanning and 3D modeling of the Shukhov hyperboloid tower in Moscow”, Journal of Cultural Heritage, vol. 16, no. 4, pp. 551–559, 2015, doi: 10.1016/j.culher.2014.09.014.
• [27] P. Feng, Y. Zou, L. Hu, and T. Liu, “Use of 3D laser scanning on evaluating reduction of initial geometric imperfection of steel column with pre-stressed CFRP”, Engineering Structures, vol. 198, art. no. 109527, 2019, doi: 10.1016/j.engstruct.2019.109527.

Uwagi

Opracowanie rekordu ze środków MNiSW, umowa nr SONP/SP/546092/2022 w ramach programu "Społeczna odpowiedzialność nauki" - moduł: Popularyzacja nauki i promocja sportu (2024).