Provided Service
Technical Papers
Publishing date
23 April 2014
Prin articolul de față se realizează o prezentare a soluției de consolidare a structurii care susține reactorul de cracare catalitică din cadrul Rafinăriei Petrobrazi. Structura metalică zăbrelită a fost proiectată și construită în anii 1965-1968, după normele americane de la acea vreme. Se intenționează mărirea capacitătii reactoului existent, crescând astfel cu cca. 43% greutatea acestuia. A fost nevoie de o solutie care să țină cont de atingerea mai multor desiderate, atât de natură tehnică, cât și de natură tehnologică. După analizarea mai multor posibilități, s-a stabilit că singura soluție viabilă pentru atingerea tutror desideratelor, este sporirea semnificativă a amortizării vâscoase a structurii – prin introducerea de amortizări vâscoși în diagonalele structurii, concomitent cu consolidarea propriu-zisă a structurii metalice și transformarea acesteia într-o structură de tip cadre cu noduri rigide.
În Județul Prahova, în cadrul Rafinăriei Petrobrazi se află o instalație de cracare catalitică, care are în componența sa un Reactor de Cracare Catalitică.
Instalaţia cuprinde în principal trei utilaje tehnologice : reactor , regenerator și camera cu orificii.
Proprietarul Rafinăriei intenționează să modernizeze tehnologic această instalație prin modificarea Reactorului, în sensul sporirii capacității acestuia și, implicit a masei și greutății sale.
Întrucât este vorba despre o structură care a fost realizată și dată în folosință în urma cu cca. 40 ani, care a fost proiectată și executată după metode și după norme care s-au modificat semnificativ în acești 40 de ani și care sunt cu mult depășite la ora actuală – din punct de vedere al siguranței în exploatare, a fost obligatorie realizarea unei expertize tehnice, pentru a se putea stabili dacă și în ce condiții modificările dorite se pot realiza. Expertiza Tehnică care a stat la baza proiectului de consolidare a fost realizată de Dr. Ing. Traian Popp.
Este de menționat faptul că în anul 2000 structura a mai trecut printr-un proces de consolidare care, după analize îndelungate, a constat într-un sistem structural ce implică disipare de energie print amortizare cu o masă acordată amplasată la partea superioară a construcției.
Este interesant faptul că, încă de la momentul anului 2000, calculele au arătat că soluția cea mai bună este dată de introducerea amortizării suplimentare în construcție.
În anii 2011 și 2012 s-au mai întocmit două expertize tehnice, care au vizat posibilitatea măririi capacității reactorului cu 83, respectiv 13 tone.
Și atunci, dar și acum, la 14 ani distanță de consolidarea din anul 2000, o dată cu o nouă cerere de mărire a capacității reactorului, calcule sistematice au indicat, încă o dată, că soluția cea mai bună de rezolvare este aceeași, respectiv introducerea unei amortizări globale suplimentare în construcție.
COMENTARIU: Întrucât spațiul unui singur articol nu permite prezentarea tuturor aspectelor și problemelor, prin prezentul articol vom face referire cu precădere la analiza structurii deaspura cotei de încastrare, din punct de vedere seismic. Vântul constituie și el o acțiune semnficativă pentru structura de față, cel puțin din punct de vedere al deplasărilor, dar comportarea structurii de față la acțiunea vântului se va trata într-un articol viitor. Totodată, în cadrul acestui articol nu vom detalia soluțiile de intervenție la nivelul fundațiilor. Acestea au fost minimale (atât din punct de vedere tehnic cât și din punct de vedere al costurilor), întrucât soluția de consolidare a suprastructurii a condus la valori mici de depășiri ale capacității de rezistență a fundațiilor și bazei stâlpilor. Rezultatele analizelor și impactul diverselor soluții de consolidare analizate asupra fundațiilor se vor arăta într-un articol viitor. Deasemenea, etapele tehnologice de consolidare a structurii metalice pot face obiectul unui articol viitor.
Radierul general are grosimea de 90 cm iar grinzile întoarse au inaltimea totala de 554 cm; intre grinzi este realizată o umplutura de balast.
Stâlpii structurii de rezistență metalice sunt realizați din profile “H” și reazemă la intersecţia grinzilor radierului, iar prinderea bazelor stâlpilor este realizată cu câte 8 buloane de ancoraj M68; bazele stâlpilor, inclusiv buloanele de ancoraj sunt înglobate în cuzineți de beton.
Elementele metalice structurale sunt betonate in vederea protecţiei la foc până la cota de +10 m față de bază (pe primele două niveluri), conform normelor și reglementărilor Rafinăriei. Ansamblul tehnologic si constructiv inițial a fost proiectat si executat in SUA, în anii ‘60.
Structura metalica de rezistență , care susţine reactorul , are alcătuire spaţială și este un turn vertical zăbrelit cu două celule de formă pătrată în plan, cele două celule având regim de înălţime uşor diferit. Celula principală, care susţine coloana reactorului , 6.045´6.045 m in plan si înălţimea actuala de 36.27 m iar celula secundară adiacentă , în care se află scara , liftul și diferite podeste, are 6.045´6.045 m in plan si înălţimea actuala de cca. 43 m.
Structura metalică de rezistenţă are o înălţime maximă de circa 47,3 m. deasupra terenului. Nivelurile principale sunt următoarele: +4.461, +10.367, +16.272, +21.416, +27.321, +33.350, +36.541, +38.570, +44.115, +47.315. Cota de rezemare a reactorului este aprox. +38.00. La cota +3.540m structura metalică este echipată cu un sistem rigid zăbrelit realizat în scopul de a opri deplasările laterale ale părţii inferioare a riser-ului.
Celula reactorului are șapte niveluri de înaltimi diferite, delimitate de platforme tehnologice iar celula secundară (structura în zona în care se află scara și ascensorul) are încă două niveluri în plus față de celula principală.
Contravântuirile sunt realizate cu diagonale în “X”, “/”, “\”, în funcție de cerințele tehnologice care în multe locuri nu au permis amplasarea a două diagonale. Diagonalele în “X” sunt alcătuite din perechi de corniere solidarizate cu gusee și fururi, iar diagonalele simple sunt realizate din profile americane („H”).
Toate grinzile sunt realizate din profile “I” sau “H”, cu două tălpi si inima plina, rezemarea și prinderea reciprocă și pe stâlpi fiind realizată cu şuruburi plasate numai pe inimile grinzilor (prindere articulată).
Structura de rezistenta este realizată din otel OL37 (S235).
La ora actuală se doreşte o nouă modernizare din punct de vedere tehnologic, prin înlocuirea reactorului. Tronsoanele superioare (reactorul propriu-zis și Striper-ul) vor fi înlocuite cu unele cu capacitate / greutate mai mare. Tronsonul inferior – Riser – va rămâne nemodificat.
Pentru aceasta rezultă, în total, un spor de masă și greutate de 152,1 tone, adică cca. 43%. Față de toate situațiile propuse și analizate în anii precedenți, aceasta reprezintă cea mai mare creștere a capacității reactorului, cu cele mai importante și severe implicații asupra structurii de rezistență pe care este susținut acesta.
O altă constrângere venită din partea Beneficiarului a fost ca deplasările maxime, de la cota de rezemare a reactorului, să nu depășească 32 cm pentru acțiunea seismică – SLU.
Structura trebuie inclusă în Clasa I de importanță datorită conținutului extrem de periculos al interiorului reactorului, precum și a importanței economice deosebite pe care o are funcționarea în parametri normali a rafinăriei.
Intervențiile la nivelul fundațiilor trebuie să fie minimale și a trebuit să se țină cont de faptul că nu se poate interveni decât la partea superioară a acestora.
Consolidarea structurii trebuie realizată păstrându-se reactorul în funcțiune.
Acțiunea seismică:
Construcția are comportarea unui pendul inversat, având cca. 80% din masa concentrată la vârf. Din acest motiv factorul de comportare global, folosit în analizele elastice bazate pe spectre de răspuns a fost: q=2.
Încărcarea utilă pe platformele de acces și mentenanță: 0,70 kN/m2.
Încărcări tehnologice: conform schemelor tehnologice și datelor primite de la Proiectantul General. Nu vom detalia aici aceste încărcări, întrucât ele o o configurație complicată și nu fac obiectul articolului de față. Ca ordin de mărime, totalul acestor încărcări tehnologice este de 457 kN (fără a include în această valoare și coeficienții parțiali de siguranță).
Acțiunea vântului a fost luată în calcul conform Conf. CR 1-1-1-4:2012.
Acțiunea zăpezii, pentru structura de față, se poate neglija. Este o structură zăbrelită deschisă, care nu permite și nu favorizeaza depunerea zăpezii, iar procesul tehnologic este însoțit de degajare mare de căldură în zona reactorului, ceea ce conduce la topirea eventualelor depuneri de zăpadă.
Combinarea efectelor acțiunilor s-a realizat conf. Cod de Proiectare CR0 – 2012 – Bazele Proiectării Construcțiilor.
Fig. 4-2
Indicatorul R3 și clasa de risc seismic, rezultate în urma evaluării prin calcul a structurii:
Din analize spectrale: R3 = 0,38. Din analize dinamice neliniare: R3 = 0,50. Prin urmare, structura existentă, cu reactorul propus, se încadrează în Clasa II de risc seismic.
În ceea ce privește sistemul de fundare existent:
S-a verificat posibilitatea apariției efectului de răsturnare, dar acesta nu reprezintă un pericol sau o problemă reală, întrucât fundația este una comună pentru Reactor, Regenerator și Camera de Orificii de Admisie. Problema reală la nivelul fundațiilor este constituită de eforturile care pot apărea în secțiunea de fundație dintre structura reactorului și cea a regeneratorului.
În urma evaluării capacității de rezistență la încovoiere a sistemului de fundare, în secțiunea arătată, a rezultat o capacitate:
SOLUTII ANALIZATE ȘI SOLUȚIA ALEASĂ
Au fost analizate diverse soluții, cu diverse particularități de abordare și calcul. Unele dintre soluțiile studiate nu pot aduce structura în parametrii de siguranță impuși de norme.
În termeni de energie, sistemul este caracterizat de următoarea ecuație:
Principial, pentru o energie de input dată, răspunsul structurii se poate conforma prin diferite abordări:
Vom trece în revistă mai întâi soluții analizate, în concordanță cu principiile a) și b) de mai sus.
CONSOLIDAREA CLASICĂ
Prin consolidare clasică s-a încercat sporirea capacității de rezistență a stâlpilor, grinzilor și contravântuirilor fie prin înlocuirea acestora fie prin adăugarea de tole metalice sudate.
Factorul de comportare s-a considerat q=2.
Practic, în ecuația generală a egalității energiilor, se intervine prin încercarea de creștere a valorii termenului Es.
CONSOLIDARE PRIN FOLOSIREA DE DIAGONALE ÎMPIEDICATE LA FLAMBAJ (BRB), DECI CU SPORIREA DUCTILITĂȚII STRUCTURII
Principiul acestui tip de consolidare este asemănător cu cel al unei consolidări clasice (în sensul consolidării sau înlocuirii elementelor structurale), cu diferența majoră dată de faptul că în loc de diagonale din profile laminate, acestea se înlocuiesc cu diagonale împiedicate la flambaj, care conduc la o structură cu ductilitate mare, caracterizată de un factor de comportare mult mai mare.
Practic, în ecuația generală a egalității energiilor, se intervine prin încercarea de creștere a valorii termenului Eh.
Pentru că în cadrul unui singur articol nu putem detalia și analizele sau rezultale analizelor pentru toate soluțiile studiate, vom spune pe scurt doar că niciuna din variantele de mai sus nu a condus la o soluție care să satisfacă toate cerințele, atât din punct de vedere al rezistenței și stabilității globale și la nivel de element, cât și din punct de vedere al condiționărilor tehnologice.
Rezultatele analizelor prin calcul, precum și imposibilitatea fizică de a realiza consolidarea stâlpilor până la un nivel acceptabil de siguranță, rezistență și stabilitate, au condus la concluzia că o abordare clasică a reabilitării structurii nu este practic posibilă.
IZOLAREA BAZEI
S-a pus și problema studierii și implementării unui sistem de izolare a bazei construcției. Această soluție a fost eliminată însă, încă de la bun început, la cerința Clientului, întrucât ar fi fost imposibil de realizat: la nivelul bazei construcției există extrem de multe instalații, echipamente, conducte îngropate între grinzile de fundare etc. Prezența acestora face imposibilă modificarea sistemului de fundare pentru a permite montarea unor izolatori de bază.
SPORIREA AMORTIZĂRII STRUCTURALE
Ideea acestei soluții constă în transformarea structurii într-un sistem de tip cadre cu noduri rigide (“moment frame”) concomitent cu introducerea unui sistem de sporire a amortizării structurale.
Sistem structural devine mai flexibil, amplificările dinamice sunt însă mai mici decât în cazul unui sistem zăbrelit, deci input-ul seismic și eforturile în elementele structurale scad.
Pentru a obține însă o scădere cu adevărat semnificativă de eforturi în elementele structurale, este nevoie și de sporirea amortizării structurale, care să și limiteze deplasările laterale ale sistemului devenit mai flexibil. Acest lucru se poate obține folosind diverse sisteme sau dispozitive seismice. În cazul de față cele mai potrivite sunt elementele de tip amortizori vâscoși, montați în diagonalele structurii, menținându-se astfel nemodificată geometria structurii și traseele tehnologice.
Practic, în ecuația generală a egalității energiilor, se intervine prin încercarea de creștere a valorii termenului Ed.
DESCRIERE SUMARĂ A SOLUȚIEI DE CONSOLIDARE
Soluția de consolidare implică:
NOTĂ: stâlpii celulei scării și liftului necesită și ei unele consolidări, însă acestea sunt de mult mai mică amploare și, pentru evidențierea mai bună a intervențiilor majore, acestea nu au mai fost arătate în figura de mai sus.
Consolidarea stâlpilor celului reactorului presupune chesonarea acestora prin adăugarea de table sudate (Fig. 5-5). Grinzile celulei reactorului se vor înlocui cu grinzi cu secțiune IPE-600 sau echivalente ca rigiditate și rezistență (Fig. 5-6).
Secțiunea critică de fundație, dintre reactor și regenerator se va putea consolida prin adăugarea de lamele de fibră de carbon la partea superioară. (solicitarea critică este cea de încovoiere prin care fibra superioară a fundației este întinsă; pentru solicitare de încovoiere de sens opus – cu fibra superioară a fundației comprimată.
Toate modificările de noduri, gusee, etc. au presupus operațiuni de sudare la șantier.
Conform reglementărilor Rafiăriei Petrobrazi și legislației în vigoare, pentru astfel de platforme industriale, protecția la foc a elementelor structurale este obligatorie până la înălțimea de min. 6 m sau două niveluri. Din acest motiv, dar și pentru asigurarea unei rigidități suficiente la acțiunea vântului, nu s-au dispuși amortizori vâscoși pe primele două niveluri. Pentru primele niveluri ale structurii s-a păstrat sistemul zăbrelit, cu diagonale “clasice”, dimensionat în domeniul elastic de comportare.
SCENARIUL DE LUCRU ȘI ETAPELE DE CALCUL
Soluția cu amortizori vâscoși a permis ca structura consolidată să fie verificată în domeniul elastic. S-a adoptat un factor de comportare q=1,5 (comportare elastică) care implică asigurarea că restul elementelor structurale nu vor suferi deformații plastice sau degradări semnificative.
Intoducerea amortizării vâscoase suplimentare este o problemă inginerească cu grad ridicat de dificultate.
Se pune intrebarea inițială – “care este necesarul de amortizare pentru a putea satisface dezideratele cerute?”
ETAPA I- ANALIZA SPECTRALĂ CU DETERMINAREA AMOTIZĂRII ȚINTĂ
S-au realizat inițial analize spectrale, iterativ, utilizând spectre de răspuns scalate pentru diferite valori ale fracțiunii din amortizarea critică, pentru determinarea valorii care conduce la rezultate favorabile și stabilirea, astfel, a unei amortizări țintă.
Comentariu: La momentul semnării contractului de proiectare și realizării proiectului, codul seismic în viguare era P100-1/2006.
După mai multe iterații s-a determinat faptul că amortizarea țintă pentru a putea satisface cerințele de temă trebuie să se situeze între 20%-25%.
Comentariu: Valoarea amortizării țintă determinată în stadiile de început ale proiectului a fost stabilită la 25%, dar, pe parcursul desfășurării proiectului, ne-au fost comunicate o serie întreagă de încărcări suplimentare, de date și informații suplimentare care au fost implementate în consecință în model. Totodată, pe măsură ce s-au efectuat iterații de analiză, s-a realizat și modelarea treptată a secțiunilor consolidate ale structurii metalice. Într-o fază finală a anlizelor spectrale, valoarea țintă a fracțiunii din amortizarea critică a fost 20%.
NOTĂ: pentru structura consolidată au rezultat perioadele proprii fundamentale de vibrație T1=1,88 s, T2=1,75s
ETAPA II- ANALIZA DE TIP TIME HISTORY NELINIAR MODAL
A urmat apoi rafinarea modelului și designul efectiv al secțiunilor necesar a fi consolidate, utilizând, în paralel, atât rezultatele analizelei spectrale cât și analiza de tip Time History Modal (cunoscută și ca Fast Nonlinear Analysis – FNA). În această etapă, pentru analizele dinamice s-au folosit 3 seturi de accelerograme generate artificial.
S-au stabilit pozițiile amortizorilor pe structură și s-au determinat estimativ constantele de amortizare necesare, conform metodologiei FEMA 356, după care s-a încărcat construcția cu imput de tip accelerograme compatibile cu spectrul elastic de amplasament (pentru situația actuală s-a utilizat spectru elastic cu amortizare elastică 2%).
Pe baza calculelor de predimensionare, s-au stabilit valorile constantei de amortizare pentru amortizori liniari. Ulterior aceasta a fost convertită în valoarea aferentă amortizorilor neliniari și a fost ajustată în urma mai multor pași de analiză.
S-a operat cu un exponent al amortizării α folosit de producătorii europeni: α=0,15.
ETAPA III- ANALIZA DE TIP TIME HISTORY NELINEAR – INTEGRARE DIRECTĂ
A urmat apoi etapa de rafinare a modelului, de verificări finale de detaliu, și de completare a analizelor dinamice cu încă 4 seturi de accelerograme artificiale, folosindu-se, deci, în final, 7 seturi de accelerograme. Totodată, în această etapă, s-au realizat și analize dinamice neliniare de tip direct-integration (foarte mari consumatoare de timp de analiză).
S-a plecat de la structura dimensionată și configurată în etapa II cu imputul artificial descris mai sus, după care s-a făcut verificarea efectivă a structurii de rezistență în termeni de verificări de rezistență și deformabilitate.
În final, după rafinarea calculelor utilizând maximul a 7 accelerograme sintetice, au rezultat următorii parametri pentru amortizorii vâscoși:
Toate accelerogramele generate au fost compatibile cu spectrul de răspuns elastic, conform P100/1-2006:
ETAPA IV- VERIFICAREA AMORTIZĂRII GLOBALE ÎN STRUCTURĂ
Ca o ultimă verificare și confirmare a soluției, s-a calculat amortizarea globală rezultată în structură.
Considerand un sistem cu “N” grade de libertate dinamica, fractiunea din amortizarea critica a sistemului se poate defini ca:
Comentariu: Amortizarea țintă a fost de cca. 20% fracțiune din amortizarea critică și s-a atins o valoare de cca. 19%. Aceasta nu trebuie însă interpretată ca o valoare exactă ci ca o indicație asupra nivelului global de amortizare.
CÂTEVA REZULTATE ALE ANALIZELOR STRUCTURALE
În urma consolidării, greutatea construcției se modifică – față de situația actuală din teren – astfel:
Comportarea amortizorilor vâscoși (exemplificare pentru 1 amortizor):
S-au dispus în total 17 amortizori vâscoși (8 pe direcția longitudinală și 9 pe direcția transversală).
Următorii parametri au rezultat pentru amortizori (s-a operat cu un exponent al vitezei α=0.15):
S-a verificat structura de rezistență care susține reactorul, ținând cont de sporul de greutate adus de modificarea acestuia, s-au analizat diverse soluţii de consolidare a structurii astfel încât sporul de încărcări gravitaţionale să poată fi preluat de structură, dar mai ales încât să fie asigurat un nivel suficient de siguranţă a structurii de susţinere a reactorului la acţiuni seismice. Prin “suficient” se înţelege “în acord cel puţin cu nivelul de performanţă impus de normele în vigoare, ca prag minimal”.
S-a evaluat impactul pe care modificările propuse îl vor avea asupra acestei structuri, gradul de asigurare la risc seismic al structurii care va fi încărcată cu forţele transmise de noul reactor (modificat), dar și comportarea structurii sub acțiunea vântului.
Ca abordare, dată fiind importanța deosebită a obiectivului, precum și cerința Clientului de a se obține – prin măsuri de consolidare – o construcție cu o durată de viață de 50 de ani (ca o construcție nouă), s-a considerat absolut necesar ca, prin soluția de consolidare, să se obțină încadrarea construcției în Clasa de Risc Seismic IV, cu un indicator R31.
Au fost analizate diverse metode și soluții de intervenție și reabilitare seismică. În urma analizelor a rezultat că singura soluție posibilă (atât d.p.d.v. teoretic cât și practic) de reabilitare și consolidare a structurii este de a îi spori amortizarea (prin introduerea de amortizpri vâscoși), concomitent cu modificarea parțială a sistemului structural dintr-unul de tip “zăbrelit” / contravântuit în unul de tip cadre cu noduri rigide (“moment frame”). În același timp, stâlpii structurii vor fi consolidați prin adăugarea de tole metalice, iar grinzile fie vor fi consolidate în mode similar, fie vor fi înlocuite cu unele noi, mult mai rigide astfel încât să asigure stabilitatea cadrului.
S-a vizat și s-a obținut o amortizare globală (fracțiune din amortizarea critică) de cca. 20%.
Structura de oțel a fost dimensionată în domeniul astfel încât să rămână în domeniul elastic de comportare (q=1.5).
Soluția conduce la efecte extrem de benefice, nu numai din punct de vedere al posibilităților de consolidare la fața locului, ci și din punct de vedere al efectului asupra fundațiilor existente, unde posiblitățile de intervenție erau extrem de limitate. La nivelul fundațiilor s-a realizat o intervenție cu nivel scăzut de dificultate din punct de vedere practic.
La momentul publicării prezentului articol, lucrările de execuție sunt în curs de desfășurare.
