Ученые СПбГАСУ проводят исследования, связанные с возможностями корпусов высокого давления из тяжелого армоцемента

Исследования прочностных характеристик и технологических возможностей сооружений из тяжелого армоцемента – корпусов высокого давления (КВД) приобретают особую актуальность. Корпуса высокого давления могут применяться в качестве корпусов ядерных реакторов, аккумуляторов тепла и автоклавов. Также возможно их использование в качестве емкостей для испытания подводных лодок и глубоководных спускаемых аппаратов, которые должны работать в условиях высоких давлений.

– Корпуса высокого давления – это специальные сооружения, в которых проходят технологические процессы, сопровождающиеся высоким давлением, температурным или радиационным воздействием. Основными несущими элементами КВД, как правило, являются силовые стенки и устанавливаемые в верхнем и нижнем концевых участках торцовые элементы, – говорит д.т.н., профессор, член-корр. РААСН, заведующий кафедрой железобетонных и каменных конструкций СПбГАСУ Валерий Иванович Морозов. – Известно, что существуют металлические КВД и корпуса из предварительно напряженного железобетона. При этом металлические корпуса ядерных реакторов имеют существенный недостаток: небольшие габаритные размеры. Из этого следуют ограниченный объем вырабатываемой энергии и достаточная дороговизна технологии и материалов конструкции.

✔ Профессор В. И. Морозов, к.т.н., заведующий лабораторией железобетонных конструкций Эрес Кечил-оолович Опбул и аспирант из Вьетнама Фан Ван Фук проводят исследования одного из важных конструктивных элементов КВД – так называемого торцового элемента.

По мнению ученых, реальным энергетическим выбором человечества в будущем станет широкое использование ядерной энергии, которая может вырабатываться в корпусах высокого давления. При этом современные методы расчета КВД, как в целом комплексе, так и по отдельности, актуальны и для одного конструктивного элемента, например – торцового элемента в виде осесимметричной толстой плиты.

Нерешенной проблемой корпусостроения и реакторостроения из железобетона, в частности – из тяжелого армоцемента – до сих пор остается работа торцовых элементов под нагрузкой в виде внутреннего давления, а именно их напряженное состояние и прочность, – говорит профессор В. И. Морозов.

✔ В этой связи были проведены аналитические и численные исследования с сопоставлением оригинальных опытных данных. По результатам исследований в журнале «Magazine of Civil Engineering» была опубликована статья авторов «Behaviour of axisymmetric thick plates resting against conical surface».

– В опубликованной статье исследуется работа и прочность торцовых элементов корпусов высокого давления с несущей силовой стенкой из тяжелого армоцемента, – поясняет профессор В. И. Морозов. – Напряженное состояние и прочность подобных конструкций во многом зависит от вида сопряжения с несущей стенкой.

В данный момент исследованы два варианта создания таких конструкций. Первый – с использованием специальных шпонок, когда торцовый элемент не смещается относительно опор или относительно несущей силовой стенки. А второй вариант – с возможной его подвижкой и превращением практически в «пробку», которая работает в благоприятных условиях трехосного сжатия, при котором бетон чувствует себя весьма «комфортно». Исследования показали, что в первом варианте сопряжения торцовых элементов с несущей силовой стенкой в силу наличия изгибного характера работы под нагрузкой необходимо армирование элемента. Во втором случае, когда элемент целиком работает на сжатие, нет необходимости в усилении элемента с введением армирования.

Исследования, посвященные изучению прочности и надежности КВД, были начаты во Франции в 1950-е гг. А в начале 70-х перед учеными СССР была поставлена задача – разработать отечественный вариант уникальных КВД, которые могут быть использованы как корпуса ядерных реакторов, аккумулятор тепла или автоклав из железобетона. Ученые СПбГАСУ, в число которых входит и В. И. Морозов, продолжали разработки по этой теме и создали надежную конструкцию сосуда давления практически без ограничения габаритов. 

– Впервые в мире в качестве строительного материала для несущей силовой стенки КВД была выбрана новая разновидность железобетона – тяжелый армоцемент. Он был разработан на кафедре железобетонных и каменных конструкций СПбГАСУ профессором, д.т.н. Г. Н. Шоршневым и к.т.н. С. Н. Панариным, – говорит В. И. Морозов.

Этот материал обладал удивительными свойствами: разрушение корпуса с несущей стенкой из него носит не хрупкий (внезапный) характер, а пластический или вязкий характер за счет того, что бетонная матрица усилена плотным слоем высокодисперсного армирования. Экспериментальные исследования на крупномасштабных моделях с несущими стенками из тяжелого армоцемента и торцовыми элементами в виде толстых конусообразных плит со свободным опиранием на несущие стенки корпуса обнаружили исключительно высокую надежность и прочность при высоких и сверхвысоких (больше 20 Мпа) давлениях.

Исследователи планируют продолжить изучение работы торцовых элементов в виде толстых осесимметричных плит под нагрузкой, но уже при наличии конструктивных технологических «проходок» (отверстий), в том числе в комплексе при совместной работе с несущей силовой стенкой.

Подробности на рисунках в галерее:
{gallery name="Морозов армированный цемент 102019"}

Текст: Елена Шульгина

✔ Узнайте больше о кафедре железобетонных и каменных конструкций, её разработках и преподавателях