Στην παρούσα μελέτη θα αναλυθεί η συμπεριφορά ενός ανεπιτυχούς σχεδιασμού εμπορικού σιλοφόρου οχήματος. Σιλοφόρο λέγεται το όχημα – δεξαμενή που μεταφέρει χύδην φορτίο. Στην συγκεκριμένη περίπτωση το όχημα είναι ελληνικής σχεδίασης και κατασκευής,μεταφέρει τσιμέντο σε μορφή σκόνης και σχεδιάστηκε το έτος 1997. Από το σχέδιο του κατασκευαστή προέκυπταν τα παρακάτω στοιχεία:

 ·      Υλικό κατασκευής :                        St-42-2

·      Πάχος ελασμάτων κελύφους :         5 mm

·      Πάχος ελασμάτων στήριξη:             7 mm

·      Πίεση δοκιμής :                              3 barg

·      Πίεση λειτουργίας :                        1,8 barg

·      Τύπος Πάτων:                                lopper

Τα οχήματα αυτού του τύπου ακολουθώντας την Ελληνική νομοθεσία υπόκεινται σε υδραυλική δοκιμή κάθε 3 χρόνια. Με το πέρας της κατασκευής τους υπόκεινται μόνο σε leaking test (πλήρωση με νερό). Κατά την λειτουργία και μετά την πρώτη υδροστατική δοκιμή πίεσης σημειώθηκαν ατυχήματα με πλήρη κατάρρευση του κελύφους. Αυτό το γεγονός αποτέλεσε την αρχή της παρούσας μελέτης για την εύρεση των αιτιών κατάρρευσης καθώς και προσδιορισμού του τρόπου βελτίωσης της αντοχής της κατασκευής.

 Η όλη μελέτη χωρίζεται σε τέσσερα βασικά μέρη - διερευνήσεις:

 ·      Μη γραμμική ελαστική ανάλυση της κατασκευής για αρχικό προσδιορισμό των “αδύναμων” περιοχών.

·      Κυκλική ελαστοπλαστική ανάλυση με βάση τα φορτία της υδραυλικής δοκιμής. Η κατασκευή θα φορτιστεί με το περιεχόμενο νερό και την πίεση δοκιμή και μετά θα αποφορτιστεί.

·      Κυκλική ελαστοπλαστική ανάλυση με βάση τα φορτία λειτουργίας. Η κατασκευή θα φορτιστεί με εσωτερική πίεση λειτουργίας και το βάρος του περιεχομένου τσιμέντου και θα ακολουθήσει αποφόρτιση. Η διαδικασία φόρτισης - αποφόρτισης θα συνεχιστεί μέχρι της τελικής καταρρεύσεως της κατασκευής.

·      Ελαστική ανάλυση και βελτιστοποίηση πάχους ελασμάτων έτσι ώστε οι αναπτυσσόμενες τάσεις να μην ξεπερνούν τις επιτρεπόμενες με βάση τους κανονισμούς, κρατώντας όσο χαμηλότερα γίνεται το συνολικό βάρος της κατασκευής.

Το κέλυφος αποτελείται από τους πάτους και 4 κωνικά μέρη συμμετρικά τοποθετημένα. Οι πάτοι είναι τύπου Klopper με διαστάσεις:

 De=1480  mm            

R=1480 mm            

 r=148   mm        

 h1=20  mm            

e=5      mm

Σχήμα 1

Ο τύπος αυτός των πάτων είναι για μικρές εσωτερικές πιέσεις. Στην περίπτωση άσκησης εσωτερικής πίεσης στην καμπυλότητα με ακτίνα r αναπτύσσονται θλιπτικές τάσεις κατά τον μεσημβρινό. Κατά συνέπεια αύξηση της εσωτερικής πίεσης οδηγεί σε κατάρρευση της καμπυλότητας από ελαστική αστάθεια (buckling). Συμπεριφορά αυτή οφείλεται στο ότι πρέπει να ικανοποιηθεί το γεωμετρικό συμβιβαστό μεταξύ των καμπυλοτήτων με ακτίνες r και R. Η μέγιστη εσωτερική πίεση λειτουργίας που μπορεί να αναπτυχθεί στην συγκεκριμένη γεωμετρία με βάση τον κανονισμό ASME VIII DIV.1 δίνεται από τις παρακάτω εξισώσεις:            

 

Σχήμα 2

Το υπόλοιπο κέλυφος όπως φαίνεται στο σχήμα 2 αποτελείται από 2 κωνικά τμήματα και 2 κυλινδρικά  ανά δύο συμμετρικά τοποθετημένα. Τα τμήματα αυτά έχουν τις εξής διαστάσεις:

Τμήμα 1

Di=  1480    mm

Do=  2490    mm

L=  3060    mm

e=   5        mm

Με βάση τον  ASME VIII DIV.1 η μέγιστη εσωτερική πίεση που μπορεί να αναπτυχθεί είναι η εξής:  

                                                     (2)

Ήδη παρατηρούμε ότι η μέγιστη εσωτερική πίεση που μπορεί να αναπτυχθεί είναι μικρότερη της πίεσης δοκιμής.

Τμήμα 2

 D= 2490  mm

e= 5   mm

 Με βάση τον  ASME VIII DIV.1 η μέγιστη εσωτερική πίεση που μπορεί να αναπτυχθεί είναι η εξής:                                                                  

(3)

H μέγιστη εσωτερική πίεση που μπορεί να αναπτυχθεί είναι μεγαλύτερη της πίεσης δοκιμής.

Με βάση τον ASME VIII DIV.1 η πίεση υδραυλική δοκιμής καθορίζεται ως

Από την παραπάνω ανάλυση που στηρίζεται μόνο στις μεμβρανικές τάσεις παρατηρούμε ότι η προκαθορισμένη πίεση υδραυλικής δοκιμής υπερβαίνει την υπολογιζόμενη από τον κώδικα. Συγχρόνως η κατασκευή έχει πολλά σημεία όπου αναμένονται υψηλές αναπτυσσόμενες τάσεις.

Τα σημεία αυτά είναι τα εξής:

·      Η εσωτερική πίεση είτε από την υδραυλική δοκιμή είτε κατά την λειτουργία έχει κατακόρυφη γραμμική κατανομή εξαιτίας του βάρους του νερού , είτε εξαιτίας του βάρους της σκόνης τσιμέντου. Αυτό βάζει όλη την κατασκευή σε κάμψη.

·      Τα ανοίγματα των ανθρωποθυρίδων δεν είναι ενισχυμένα.

·      Στην ένωση των διαφορετικών τμημάτων του κελύφους εξαιτίας του συμβιβαστού των παραμορφώσεων και των εντόνων ασυνεχειών των πρώτων παραγώγων της γεωμετρίας αναπτύσσονται τάσεις από τοπική κάμψη και διάτμησης του κελύφους.