Návrh anti-seizmických opatření v konstrukci vertikálního HRSG kotle

Jiří Protivínský

Doctoral thesis

Design of aseismic structural provisions for steel structure of HRSG vertical boiler

Abstract:

Technologické konstrukce leží obecně na okraji zájmu výzkumu v oboru teorie konstrukcí. Technologických konstrukcí je nepřeberné množství tak, jako je nepřeberné množství druhů technologie, které jsou těmito konstrukcemi podporovány. Pro kvalifikovaný výzkum v této oblasti je navíc nezbytná základní znalost dané technologie. Tato práce si klade za cíl tento deficit částečně napravit. Jejím ústředním tématem jsou konstrukce vertikálních kotlů na odpadní teplo. Jedná se o zařízení celosvětově rozšířená. Po celém světě jsou nosné konstrukce těchto zařízení řešeny koncepčně obdobně a používají také podobné detaily v přípojích kotelní technologie k nosné konstrukci. Tato práce je zaměřena na stanovení hodnoty mechanického útlumu konstrukce zavěšeného vertikálního kotle na odpadní teplo. Na základě experimentálního měření na zmenšeném modelu jsou stanoveny hodnoty logaritmického dekrementu útlumu pro několik modifikací kotle. Tyto modifikace reprezentují jednotlivé detaily vertikálního kotle. Vybrány jsou detaily, kterými se konstrukce vertikálních kotlů odlišují od ostatních konstrukcí pozemních staveb. Každá modifikace tedy reprezentuje jeden specifický rys konstrukce vertikálního kotle. Poměrná změna tlumení konstrukce v dané modifikaci oproti holé konstrukci bez kotle vyjadřuje relativní příspěvek daného detailu k celkovému tlumení soustavy. Verifikace výsledků získaných měřením na zmenšeném modelu je provedena za pomoci měření na realizovaném vertikálním kotli. Dále se tato práce zabývá materiálovým řešením energii rozptylujících detailů v seizmických aplikacích se zaměřením na detaily pracující na principu hysterezního překročení meze kluzu. Vyhodnocuje použitelnost konstrukční oceli S235 a oceli DD11 pro aplikaci v těchto detailech. U konstrukce s energii rozptylujícími detaily na bázi hysterezních tlumičů je obvyklé kombinovat více druhů oceli. Pro hlavní nosnou konstrukci se užívá oceli s vyšší mezí kluzu. Do detailů určených k hystereznímu rozptylu energie je naopak užitečné použít ocel s mezí kluzu co nejnižší. V evropském prostředí se tak nabízí v prvé řadě užití kombinace ocelí S235/S355. Jelikož je celá filozofie návrhu takové konstrukce založena na podmínce překročení meze kluzu v energii rozptylujících detailech, statistický rozptyl mechanických vlastností materiálu může představovat riziko. Součástí této práce je tedy i pravděpodobnostní zhodnocení rizika nedosažení meze kluzu v energii rozptylujících detailech při zmíněné kombinaci S235/S355.

Abstract:

In general, technological structures are of marginal research interest in the theory of structures. There are countless technological structures as well as countless kinds of technologies which are supported by these structures. In addition basic knowledge of a certain technology is essential, for qualified research in this area. This work aims to partially balance this deficit. Its central theme is the structure of waste heat vertical boilers. These are widespread equipment. All around the world, the supporting structures of this equipment are designed conceptually similarly and they also make use of similar details in the connections of boiler technology to the supporting structure. This work is focused on determining the value of mechanical damping of a suspended waste heat vertical boiler. On the basis of experimental measurements on a scale model, values of logarithmic decrement of damping for several modifications of the boiler are determined. These modifications represent the individual details of the vertical boiler. In these details the vertical boilers differ from other building structures. Each modification thus represents one special feature of a vertical boiler’s structure. The proportional change in the structure damping of a certain modification compared to bare structure without a boiler expresses the relative contribution of a certain detail to the overall damping. Verification of results obtained by measurements on a scale model is made using measurements on an already implemented vertical boiler. Furthermore, this work deals with material solution of energy dissipation details in seismic applications with a focus on the details on the principle of hysteresis yield exceeding. It evaluates the usability of S235 structural steel and DD11 steel for application in such details. In structures with energy dissipation details of this type, it is usual to combine multiple quality of steel. For a main frame, steel with higher yield strength is used. For details designed for hysteresis energy dissipation, on the contrary, it is useful to use steel with a yield strength as low as possible. In Europe, primarily the combination of steel S235 and S355 seems to be optimal. Since the whole design philosophy of such structures is based on the condition of exceeding the yield strength in energy dissipation details, the statistical variance of mechanical qualities of materials can pose a risk. Part of this work is therefore focused on probability risk assessment, failure to yield strength in the energy dissipation details in the aforementioned combination of S235 and S355.

Keywords

nosná konstrukce, HRSG kotel, vertikální kotel, anti-seizmická opatření, zemětřesení, seizmické inženýrství\\ útlum, dynamická odezva, logaritmický dekrement, spektrum odezvy, experiment, fyzikální model, rozměrová analýza, zákony podobnosti ocel, S235, DD11, pravděpodobnostní výpočet, disipativní návrh, duktilita, hysterezní smyčka, LHS

Keywords

structure, HRSG boiler, vertical boiler, aseismic design, earthquake, seismic engineering\\ damping, dynamic response, logarithmic decrement, response spectra, natural shape, experiment, physical model, dimensional analysis, scaling law steel, S235, DD11, probability analysis, dissipative design, ductility, hysteresis, LHS

Language used: Czech

Date on which the thesis was submitted / produced: 17. 2. 2017

Thesis defence

• Date of defence: 27. 6. 2017
• Supervisor: Martin Krejsa
• Reader: Stanislav Pospíšil, Juraj Králik, Vlastislav Salajka

VŠB - Technical University of Ostrava

Fakulta stavební

Doctoral programme / field:
Stavební inženýrství / Teorie konstrukcí