n1.docx

Несущие конструкции вертикальных цилиндрических резервуаров рассчитывают по предельным состояниям в соответствии со строительными нормами и правилами СНиП II 23-81 «Стальные конструкции. Нормы проектирования».

При наполнении резервуара жидкостью в стенке возникают растягивающие напряжения, направленные горизонтально по касательной к окружности (рис. 4.6).

Рис. 4.6. Расчетная схема для определения кольцевых напряжений
от гидростатического давления нефтепродукта с удельным весом
Рассматривая равновесие кольца единичной высоты на расстоянии от днища, получим выражение для вычисления кольцевых напряжений :

где – толщина стенки резервуара; – удельный вес жидкости; – высота и радиус резервуара.

Стенку резервуара рассчитывают на прочность по безмоментной теории как цилиндрическую оболочку, работающую на растяжение от действия гидростатического давления жидкости и избыточного давления газа. Расчетное давление на глубине от днища резервуара (рис. 4.7):

Где n 1 = 1,1 – коэффициент перегрузки для гидростатического давления;
n 2 = 1,2 - коэффициент перегрузки для избыточного давления в паровоздушной смеси p и ; – удельный вес жидкости.

Рис. 4.7. Схема нагружения резервуара внутренним давлением
Выражение для предварительного определения толщины стенки получим по предельному состоянию с учетом избыточного давления в газовом пространстве резервуара :

, (4.8)

где – коэффициент условий работы;

– коэффициент надежности по давлению;

– расчетное сопротивление для стали стенки резервуара.

Толщину цилиндрической стенки корпуса резервуара на расстояниях от днища можно определять только по кольцевым напряжениям исходя из того, что они в два раза больше меридиональных.

Из выражения (4.4) получают формулу для определения минимальной толщины стенки каждого горизонтального пояса вертикального резервуара для условий эксплуатации

, (4.9)

– плотность нефти или нефтепродукта, кг/м 3 ;

– радиус стенки резервуара, м ;

м ;

м ;

, – нормативная величина избыточного давления;

– расчетное сопротивление стали для пояса стенки по пределу текучести, Па.

Расчетное сопротивление материала стенки резервуаров по пределу текучести определяется по формуле

где – нормативное сопротивления растяжению (сжатию) металла стенки, равное минимальному значению предела текучести, принимаемому по государственным стандартам и техническим условиям на листовой прокат;

– коэффициент надежности по назначению, для резервуаров объемом по строительному номиналу 10 000 м 3 и более , объемом по строительному номиналу менее 10 000 м 3 .

Таблица 4.4

Конструктивная величина толщины стенки

В качестве номинальной толщины каждого пояса стенки выбирается значение большей из двух величин, округленное до ближайшего значения из сортаментного ряда листового проката.

где – припуск на коррозию, мм ;

– значениеминусовогодопускана толщину листа, мм ;

Таблица 4.5

Предельные отклонения по толщине листа

4.4. Расчет стенки резервуара на устойчивость

Потеря устойчивости стенки (оболочки) резервуара может происходить от действия сжимающих напряжений. При расчете на устойчивость необходимо, чтобы возникшие сжимающие напряжения не превысили критических напряжений для рассматриваемой конструкции:

где – максимальные сжимающие напряжения;

– критические напряжения.

Величина критических напряжений зависит от гибкости рассчитываемых элементов строительных конструкций. Гибкость определяется геометрическими размерами, формой и условиями закрепления сжимаемых элементов конструкций, в частности, для цилиндрической оболочки зависит от толщины, радиуса и высоты стенки. Формулы для вычисления критических напряжений необходимо выбирать по СНиП II-23-81 «Стальные конструкции».

При проверке устойчивости стенки вертикального резервуара со стационарной крышей расчетным считается тот случай, когда резервуар пустой, герметически закрыт и в нем возникает вакуум (рис. 4.8). В этом случае сжатие стенки будет происходить как в вертикальном, так и в горизонтальном направлениях.

При расчете на устойчивость необходимо учитывать следующее сочетание нагрузок:

– осевое сжатие от веса стенки и крыши резервуара, снега и вакуума;

– равномерное внешнее давление, действующее при возникновении вакуума внутри резервуара и от ветровой нагрузки;

– совместное воздействие этих нагрузок.

Рис. 4.8. Схема для расчета стенки резервуара на устойчивость
Если учитывается совместное сжатие резервуара в осевом и горизонтальном направлениях, проверка устойчивости стенки резервуара производится по формуле

МПа;

МПа ;

МПа ;

МПа .

Расчетные осевые напряжения для резервуаров РВС определяются по формуле, описывающей сжатие поперечных горизонтальных сечений вертикальной цилиндрической оболочки:

веса;

– вес покрытия резервуара, Н ;

Н ;

Н ;

– вес покрытия резервуара, Н ;

м .

Вес покрытия резервуара рассчитывается по нормативному удельному весу крыши (табл. 4.6)

Таблица 4.6

Нормативный вес крыши на единицу площади

, (4.16)

где – номер последнего верхнего пояса, если начало отсчета снизу;

– удельный вес стали.

Нормативная снеговая нагрузка на горизонтальную проекцию резервуара определяется для заданного снегового района:

где – коэффициент перехода от веса снегового покрытия горизонтальной поверхности земли к снеговой нагрузке на трубопровод;

– нормативное значение веса снегового покрова на 1 м 2 горизонтальной поверхности земли, которое выбирается по табл. 4.7 для соответствующего снегового района Российской Федерации.

Таблица 4.7

Нормативные значения веса снегового покрова
(СНиП 2 .01.07-85 Нагрузки и воздействия)

Вес снегового покрова на всю крышу будет пропорционален её площади:

Нормативная нагрузка от вакуума на покрытие зависит также от размера крыши:

Осевые критические напряжения зависят от толщины стенки и радиуса цилиндрической оболочки:

где МПа – модуль упругости стали;

– коэффициент, принимаемый по табл. 4.8.

Для определения коэффициента необходимо вычислить среднюю толщину стенки резервуара:

. (4.21)
Таблица 4.8

Значение коэффициента

Расчетные кольцевые напряжения в стенке при расчете на устойчивость резервуара определяются по формуле

, (4.22)

где – нормативное значение ветровой нагрузки на резервуар, Па ;

– коэффициент надежности по ветровой нагрузке;

– средняя арифметическая толщина стенки резервуара, м .

Нормативное значение ветровой нагрузки определяется по формуле

где – нормативное значение ветрового давления, для рассматриваемого района, Па (табл. 4.9);

– коэффициент, учитывающий изменение ветрового давления по высоте;

– аэродинамический коэффициент.
Таблица 4.9

Ветровые давления по ветровым районам

Аэродинамический коэффициент выбирается по СНиП 2.01.07-85 «Нагрузки и воздействия» (табл. 4.10).
Таблица 4.10

Аэродинамический коэффициент

Критические кольцевые напряжения в стенке резервуара определяются по формуле

, (4.24)

где – геометрическая высота стенки резервуара, м.

Если по результатам расчета условие устойчивости не выполняется, то значения номинальной толщины стенки для соответствующих поясов стенки резервуара должны быть увеличены.

4.5. Основания и днища резервуаров

Вертикальные цилиндрические резервуары располагают на достаточно простых песчаных основаниях ввиду незначительности передаваемого на них давления. Обычно вначале удаляют растительный слой, засыпают площадку насыпным грунтом и уплотняют его катками. Поверх насыпного грунта укладывают и уплотняют песчаную подушку, выравнивают ее, организуя уклон от центра к периферии для стока и последующего удаления подтоварной воды и отстоя. Диаметр подушки должен быть на 1,5–2,0 м больше диаметра днища резервуара. Между днищем резервуара и песчаной подушкой располагают гидроизоляционный (гидрофобный) слой толщиной около 100 мм. Обычно это смесь песка с жидким битумом, мазутом или нефтью.

Для резервуаров вместимостью 10000 м 3 и более по периметру основания устраивают железобетонное кольцо.

Днища резервуаров испытывают незначительные напряжения от давления жидкости, поэтому толщину их принимают по технологическим соображениям удобства и надежности выполнения сварных соединений и сопротивляемости коррозии.

Днища резервуаров могут быть плоскими или коническими с уклоном от центра или к центру (рекомендуемая величина уклона 1:100).

Днище состоит из периферийных листов, находящихся под стенкой и приваренных к ней, и центральной части.

Днища резервуаров должны иметь следующую конструкцию:

 для резервуаров объемом менее 2 000 м 3 используется конструкция с периферийными листами (рис. 4.9), сваренными с центральной частью встык. Периферийные листы должны иметь прямоугольную форму с одной радиусной кромкой, толщины периферийных листов и центральной части должны быть равны;

 для резервуаров объемом 2 000 м 3 и более периферийные листы днища образуют кольцо под стенкой резервуара (рис 4.10). Эти листы называются окрайками и имеют форму утолщенных кольцевых сегментов, сваренных с центральной частью днища внахлест. Толщина окраек определяется согласно табл. 4.11.

Рис. 4.9. Конструкция днища без окраек

1 и 2 – полотнища; 3 – монтажное соединение внахлест;
4 – заводское соединение встык; 5 – монтажный шов встык;
6 – монтажный шов внахлест; 7 – подкладка

Рис. 4.10. Конструкция днища c окрайками:

а) конструкция днища; б) соединение окраек между собой;
в) соединение центральной части днища с окрайками;
1– полотнища центральной части днища; 2 – окрайки; 3 – сварной шов;
4 – подкладка
Таблица 4.11

Конструктивная величина окрайки днища

Все листы центральной части днища указанных резервуаров должны иметь номинальную толщину не менее 4 мм, исключая припуск на коррозию.

Согласно РД Транснефти толщина центральной части днища должна быть равна 9 мм.

Периферийные листы днища и первый пояс стенки должны быть изготовлены из стали одного класса и марки.

Кольцо из листов окраек должно быть круговой формы с внешней стороны, внутренняя граница окраек может иметь форму многоугольника с числом сторон равным числу листов окрайки. Радиальная ширина окрайки должна обеспечить расстояние между внутренней поверхностью стенки и швом приварки центральной части днища к окрайке не менее 800 мм. Нахлест центральной части днища на окрайку должен составлять не менее 50 мм.

Расстояние между наружной поверхностью стенки и наружным контуром окраек или периферийных листов днища должно составлять 50…60 мм.

Окрайки собираются с клиновидным зазором и свариваются между собой односторонними стыковыми швами на остающейся подкладке толщиной 4 мм. Длина подкладки должна превышать длину сварного шва между окрайками на 30 мм во внутреннюю и наружную стороны. При сварке наружной части окраек сварные швы следует выводить на подкладку, а ее выступающую часть обрезать.

Сварные швы окраек и периферийных листов днища должны иметь разбежку с вертикальными сварными швами первого пояса стенки не менее 100 мм.

Монтажное нахлесточное соединение полотнищ днища в зоне приварки к стенке резервуара должно быть преобразовано в стыковое соединение на остающейся подкладке длиной не менее 300 мм.

Днище резервуара состоит из четного числа полотен (для возможности создания уклона), каждое из которых обычно не превышает 12 м по ширине.

Полотна сваривают из листов размерами 1500 Ч 6000 мм или
2000 Ч 8000 мм толщиной 5 мм при вместимости до 10000 м 3 и толщиной 6 мм при больших объемах. Сборку и сварку полотен на заводах выполняют на механизированных станах, где плоскую большеразмерную заготовку сворачивают в многослойный габаритный рулон, удобный для перевозки к месту монтажа по железной дороге. Из этого условия масса рулона не должна превышать 60 т.

Соединение листов полотнищ производят двусторонней автоматической сваркой плотнопрочными швами с полным проваром по толщине свариваемого металла. Присадочные материалы должны обеспечивать равнопрочность сварного шва встык основному металлу.

При монтаже центральной части днища полистовым методом применяются нахлесточные и стыковые соединения на остающейся подкладке. Стыковые соединения (на подкладке) выполняются вдоль короткой стороны листа, а нахлёсточные – вдоль длинной стороны листа, за исключением участков, примыкающих к окрайке днища. Толщина подкладки –
4–5 мм. Разбежка поперечных сварных швов при полистовой сборке днища должна быть неменее 500 мм. Соединения центральной части днища с кольцевыми окрайками выполняются внахлёст независимо от толщин стыкуемых элементов.

При монтаже изготовленные и рулонированные на заводе полотна днища накатывают на подготовленное основание, освобождают от закрепления и разворачивают в проектное положение. Полотна днища соединяют внахлест, минимальная величина нахлеста – 30 мм.
4.6. Расчет сопряжения стенки резервуара с днищем

Канонические уравнения метода сил

Канонические уравнения метода сил находят широкое применение для расчета статически неопределимых систем. В этом случае за искомые неизвестные принимаются силовые факторы или реакции.

Рассмотрим этот метод на конкретном примере (рис. 4.11). Заменим исходную статически неопределимую систему на статически определимую основную систему путем удаления лишних связей.

Основную систему нагружают заданными внешними силами и лишними неизвестными усилиями и , заменяющими действие удаленных связей, в результате чего получают эквивалентную систему . При этом неизвестные усилия должны быть подобраны так, чтобы перемещения в опорах и были такими же, как и в исходной системе.

В данном примере перемещения в точках и равны нулю. Приравнивая суммарное перемещение от внешних нагрузок и неизвестных сил нулю, получим систему канонических уравнений метода сил

(4.25)

Где , – перемещения от внешних нагрузок (рис. 4.11,в);

, , , – перемещения от неизвестных сил
(рис. 4.11,г).

Рис. 4.11. Расчетная схема для определения реакций методом сил:

а – исходная система; б – основная система; в – перемещения от внешних нагрузок;

г – перемещения от неизвестных сил; д – перемещения от единичных сил
Если вместо неизвестных сил приложить единичные силы, то получим следующие выражения:

В этих выражениях – перемещение точки от единичной силы, приложенной вместо силы ; – перемещение точки от единичной силы, приложенной вместо силы ; – перемещение точки от единичной силы, приложенной вместо силы ; – перемещение точки от единичной силы, приложенной вместо силы . На основании теоремы о взаимности перемещений

Таким образом, исходную задачу удалось разбить на несколько более простых, для которых решения можно найти в справочнике или воспользоваться известными из курса сопротивления материалов методами, например, методом Мора. Интеграл Мора для перемещений от внешних нагрузок и от единичных сил определяется следующим образом:

, (4.27)

где – суммарная длина всех участков;

– момент от внешних нагрузок;

– момент от единичной силы, приложенной в -й точке;

– осевой момент инерции сечения.

После того, как все перемещения определены, получаем систему канонических уравнений метода сил

(4.28)

Проверочный расчет узла сопряжения стенки и днища

В зоне сопряжения стенки резервуара с днищем за счет стесненности радиальных деформаций стенки днищем возникают изгибающий момент и поперечная сила. Расчетная схема и основная система сопряжения показаны на рис. 4.12.

Рис. 4.12. Расчетная схема узла сопряжения стенки резервуара
и днища для метода сил: а – исходная система – совместная деформация стенки
и днища; б – основная система для расчета нижнего узла методом сил
Предполагается, что полоски единичной ширины, вырезанные из стенки и днища, работают как балки на упругом основании (по гипотезе Винклера). Основная система получается путем отрыва стенки от днища. Лишние неизвестные ( – изгибающий момент, – поперечная сила) определяются методом сил из решения канонических уравнений, выражающих условие совместности перемещений тех поперечных сечений стенки и днища, в которых они жестко соединены между собой:

Где – перемещения от единичного момента и единичной силы ;

И – грузовые члены, зависящие от внешних нагрузок.

Для упрощения данной задачи можно считать, что днище является абсолютно жестким при его деформировании в собственной плоскости и соответственно все перемещения днища в горизонтальной плоскости от действия внешней нагрузки, момента и поперечной силы обращаются в ноль:

С учетом сделанных допущений система уравнений (4.29) принимает более простой вид:

(4.31)

Перемещения стенки резервуара и днища, входящие в канонические уравнения, получают из решения дифференциального уравнения оси изогнутой балки на упругом основании.

Для стенки – это дифференциальное уравнение четвертого порядка

(4.32)

И для днища

(4.33)

Где – коэффициент постели днища, зависящий от упругих свойств основания резервуара.

Обозначив коэффициент постели стенки как

И введя нужную подстановку

Уравнение (4.32) представляют в виде

, (4.34)

Где – коэффициент деформации стенки;

– цилиндрическая жесткость стенки;

– коэффициент Пуассона;

– модуль упругости стали.

Аналогично преобразуется дифференциальное уравнение для днища

, (4.35)

Где – давление в нижней точке резервуара.

Для определения перемещения используются решения дифференциальных уравнений (4.34) и (4.35), которые имеют следующий вид

Где – частное решение дифференциального уравнения.

Более подробно решение для балки на упругом основании рассмотрено в учебниках по сопротивлению материалов и строительной механике. Применив эти решения для определения перемещений в стенке и днище резервуара, получают следующие соотношения:

; (4.38)

; (4.42)

. (4.43)

В этих выражениях при определении перемещений в днище используются функции Крылова:

; (4.44)

; (4.45)

где – размер свисающей части окрайки днища.

После вычисления перемещений и решения системы канонических уравнений (4.31) определяют неизвестные: изгибающий момент и поперечную силу в стенке резервуара .

Вычислив силовые факторы в узле сопряжения, можно выполнить расчет на прочность стенки резервуара и днища, а также сварного соединения.

На рис. 4.13 изображена расчетная схема для вычисления напряжений в стенке резервуара и в днище. Предельное состояние оценивается по максимальным нормальным напряжениям, которые возникают от найденного изгибающего момента и сжимающей осевой силы , которую вычисляли по формуле (4.14) для первого пояса стенки резервуара при проверке её на устойчивость:

, (4.48)

Где и – момент сопротивления и площадь поперечного сечения стенки резервуара.

Для пластин и оболочек момент сопротивления зависит от толщины стенки :

Формула (4.48) принимает следующий вид:

Днище необходимо проверить на прочность от изгибающего момента в узле сопряжения:

. (4.51)

Рис. 4.13. Расчетная схема для определения нормальных напряжений
в стенке и днище

Рис. 4.14. Расчетная схема для расчета сварного шва

Стенка резервуара и днище образуют сварное тавровое соединение с угловыми швами (рис. 4.14) , расчет которого от действия продольных и поперечных сил проводят на срез по металлу сварного шва и по металлу границы сплавления.

Расчетные формулы, отражающие условие прочности сварного шва, представляют собой выражения для сдвигающих напряжений в плоскости разрушения шва. Они определяются как отношение сдвигающих усилий к площади сечения в плоскости среза.

Расчет по металлу сварного шва:

, (4.52)

где – высота катета сварного шва. Минимальный катет определяется по таблице 38 СНиП II-23-81, а максимальный не должен превышать
1,2 толщины более тонкой детали в соединении;

– расчетная длина шва, принимаемая меньше его полной длины;

– коэффициент для сталей с пределом текучести до 530 МПа, принимаемый в зависимости от вида сварки, диаметра проволоки и положения шва по таблице 34 СНиП II-23-81 (для ручной электродуговой сварки = 0,7); для сталей с пределом текучести более 530 МПа независимо от условий = 0,7;

– коэффициенты условий работы шва, равные 1,0 во всех случаях, кроме конструкций, возводимых в климатических районах I 1 , I 2 , II 2 , II 3 , где = 0,85;

– коэффициент условий работы;

– расчетное сопротивление углового шва при расчете по металлу шва, которое принимается по таблице 56 СНиП II-23-81 в зависимости от марки электрода.

Проверку прочности углового шва, прикрепляющего стенку к днищу, производят на одновременное воздействие поперечной силы и изгибающего момента (рис. 4.14). В этом случае сдвигающая сила будет определяться как геометрическая сумма вертикальной и горизонтальной составляющих:

Вертикальная составляющая образует пару сил , равную произведению силы на плечо (рис. 4.14):

Горизонтальная составляющая будет возникать от распределения поперечной силы на два сварных шва:

Подставив полученные выражения в формулу (4.53), определим расчетную нагрузку углового шва:

. (4.56)

Необходимо напомнить, что момент и сила в соответствии с принятыми в теории пластин и оболочек определениями являются распределенными по ширине, т.е. отнесенными к единице длины. С учетом этого, длина сварного шва в формуле (4.52) должна равняться единице.

Таким образом, условие прочности сварного шва принимает следующий вид:

. (4.57)

Аналогично выполняется расчет по границе сплавления сварного шва.
4.7. Конструкции покрытий
вертикальных резервуаров

Выбор типа покрытия резервуара в первую очередь зависит от его объема и условий эксплуатации. При проектировании необходимо учитывать: внутреннее давление в резервуаре (избыточное или вакуум), собственный вес конструкции, снеговую нагрузку и ветровую нагрузку, направленную вверх (отсос).

Широкое применение нашли следующие типы покрытий:

– висячие бескаркасные;

– конические каркасные;

– сферические каркасные.

Для резервуаров малого объема предложена бескаркасная конструкция в виде висячей безмоментной оболочки (рис. 4.15) . Настил такой кровли 6 сваривается из тонких листов толщиной 2,5–3 мм и за исключением крайних зон работает в наиболее выгодных для стальных конструкций условиях на растяжение. По верхнему контуру резервуара настил опирается на установленное с внутренней стороны опорное кольцо жесткости коробчатого сечения 5, а в центре резервуара – на стойку 3, вверху которой находится конический стальной зонт 4. По расходу металла резервуары с висячей безмоментной кровлей легче резервуаров с каркасной кровлей на 10–15 %.

Рис. 4.15. Конструкция вертикального резервуара с безмоментной крышей

1 – песчаное основание; 2 – база центральной стойки; 3 – центральная стойка;

4 – зонт; 5 – опорное кольцо жесткости; 6 – настил
Для резервуаров объемом до 5 тыс. м 3 рекомендуется применять конические каркасные крыши (рис. 4.16). Каркасные крыши изготавливаются в виде щитов, которые представляют собой радиально расположенные главные балки 2, выполненные из прокатных или гнутых профилей, кольцевые балки 3, на которые опирается настил, и самого настила 4 из стальных листов толщиной 2,5–3 мм. Такие транспортабельные щиты могут изготавливаться на заводах в виде отдельных отправочных элементов. Опираются щиты на опорные кольца жесткости 5, установленные вверху стенки резервуара, и центральное кольцо со стойкой, которая помещается внутри резервуара.

При монтаже щиты в виде круговых секторов располагаются через один сектор и соединяются между собой кольцевыми элементами каркаса 3. Настил изготавливается из раскроенных и соединенных между собой сваркой листовых заготовок и приваривается к опорному кольцу на стенке резервуара и центральному кольцу.

Рис. 4.16. Конструкция вертикального резервуара с конической крышей:

1 – опорная стойка с центральным щитом; 2 – главные балки;
3 – кольцевые балки настила; 4 – настил; 5 – опорные кольца жесткости
Для резервуаров объемом более 5 тыс. м 3 щитовая и висячая крыши с центральной стойкой оказываются экономически неоправданными.
В резервуарах большего объема более целесообразно применять покрытия в виде сферических крыш без центральной стойки (рис. 4.17, 4.18).

Рис. 4.17. Конструкция вертикального резервуара со сферической крышей:

1 – центральный щит; 2 – круговые главные балки;
3 – кольцевые балки настила; 4 – настил; 5 – опорное кольцо жесткости;

I – соединение сферической крыши со стенкой

Рис. 4.18. Соединение сферической крыши со стенкой

Конструкция сферической крыши по составу несущих элементов и методам их сборки схожа с конструкцией конической крыши щитового типа, описанной выше. Однако круговые радиально расположенные главные балки, изготовленные из вальцованных профилей, обладают повышенной несущей способностью.

Самонесущие купольные (сферические) крыши должны иметь радиус сферической поверхности от 0,8 до 1,5 , где – диаметр резервуара. Толщина элементов стального настила должна быть не менее 4 мм.
4.8. Расчет несущих элементов сферической
крыши резервуара

Главную балку радиально-кольцевого каркаса сферической крыши вертикального резервуара на расчетной схеме (рис. 4.19) можно рассматривать как круговую арку, сопряженную на концах с опорным кольцом. Опорное кольцо устанавливается по верхнему краю цилиндрической стенки резервуара (рис. 4.17). Наиболее точные результаты будет иметь такой вариант расчетной схемы, который учитывает изгибную жесткость опорного кольца и стенки в плоскости оси арки, а также горизонтальную жесткость опорного кольца.

За счет изгибной жесткости в узле сопряжения на арку будет передаваться изгибающий момент , величина которого пропорциональна углу поворота опорного кольца. За счет горизонтальной радиальной жесткости опорного кольца будет возникать реактивная сила , которая называется распором арки.

Рассмотрим пример расчета главной балки, в котором будем учитывать только горизонтальную жесткость верхнего опорного кольца резервуара (рис. 4.19).

4.19. Расчетная схема главных балок каркаса сферической крыши
Арка, имеющая на концах шарнирно-неподвижные опоры, будет один раз статически неопределимой. Неизвестной реакцией является распор , зависящий от горизонтальной жесткости опорного кольца. Чтобы определить величину распора, используется условие совместности деформаций арки и опорного кольца

где – горизонтальное перемещение арки в узле сопряжения;

– горизонтальное радиальное перемещение опорного кольца.

Для определения перемещения воспользуемся известным решением для кольца, нагруженного равномерно распределенной погонной нагрузкой (рис. 4.20):

где – интенсивность распределенной нагрузки в плоскости кольца;

– радиус кольца;

– площадь сечения кольца.

Рис. 4.20. Расчетная схема опорного кольца
Интенсивность нагрузки на кольцо необходимо выразить через распор на главные балки :

где – число главных балок.

Таким образом, получим горизонтальное перемещение опорного кольца

Для определения горизонтального перемещения в опорах арки рассмотрим расчетную схему (рис. 4.19). Для того чтобы из заданной системы получить основную систему, заменим на правом конце арки шарнирно-неподвижную опору на шарнирно-подвижную (рис. 4.21). Эквивалентную систему получим, заменив отброшенную связь неизвестной реакцией, т.е. распором . Горизонтальное перемещение опоры определяется как сумма перемещений от заданной внешней нагрузки (рис. 4.21,а) и неизвестного распора :

где – перемещение от единичной силы, приложенной вместо неизвестной силы распора (рис 4.21, б).

Рис. 4.21. Расчетная схема для определения перемещений
узла опирания главной балки

Перемещение можно определить, используя интеграл Мора:

где – момент от внешних нагрузок;

– момент от единичной нагрузки.

Интеграл Мора для определения перемещения получится при подстановке :

С учетом симметрии расчетной схемы уравнение момента от единичной силы (рис. 4.21, б) запишем только для правой части арки

. (4.65)

Тогда перемещение с учетом выражения

Будет определяться как

.

Чтобы определить перемещение , необходимо записать уравнение для изгибающего момента от внешних нагрузок

, (4.66)

.

Полученные выражения для моментов необходимо подставить в уравнение (4.63) и также учесть симметрию внешней нагрузки:

.

После подстановки полученных выражений в уравнение (4.62) определяется распор арки :

. (4.68)

В приведенном ниже примере выполнения курсового проекта по дисциплине «Строительные конструкции» предложен вариант упрощенного моделирования главных балок в виде трехшарнирной арки. В этом случае получается статически определимая система и реакции опорной конструкции стенки находятся из уравнений статики. В этом примере также подробно рассмотрены проектный расчет главной балки каркасной сферической крыши, кольцевой балки настила и метод для определения толщины листа настила крыши.

4.9. Пример выполнения расчетов
строительных конструкций
вертикального стального резервуара

Цель: спроектировать вертикальный стальной резервуар (РВС).

Дано. 1. Объем резервуара – 20 тыс. м 3 .

1. 
   Плотности нефтепродукта – 900 кг/м 3 .
2. 
   Место строительства – Сургут.

1. Определить геометрические параметры резервуара.

2. Определить толщину всех поясов стенки резервуара.

4. Выполнить расчет несущего каркаса и настила сферической
крыши.

5. Выполнить графическую часть:

– общий вид резервуара на основании;

– сечение и развертку стенки резервуара. Примеры горизонтальных и вертикальных сварных швов, соединение стенки резервуара и днища;

– общий вид днища. Соединение центральной части, окраек и периферийных листов;

– общий вид сферической крыши резервуара. Узлы соединения главной балки и опорного кольца, главной балки и центрального щита, главных балок и балок настила.
1. Определение геометрических параметров резервуара

Выбор размеров стального прокатного листа для изготовления
стенки

Размеры листа. В соответствии с рекомендациями ПБ 03-605-03
для изготовления стенки выбираем стальной лист с размерами в поставке 2000 Ч 8000 мм. С учетом обработки кромок листа с целью получения правильной прямоугольной формы при дальнейших расчетах принимаются следующие его размеры 1990 Ч 7990 мм.

Сначала выбираем высоту резервуара. Для этого используем рекомендации ПБ 03-605-03 (табл. 4.2). В соответствии с этими рекомендациями предпочтительная высота резервуара от 12 до 20 м.

Высота резервуара. Для резервуара объемом принимаем номинальную высоту резервуара . Соответственно количество поясов в резервуаре будет равно восьми (). Точная высота резервуара

Предварительный радиус резервуара. Радиус резервуара определяется из формулы для объема цилиндра:

Периметр резервуара и число листов в поясе

.

Предпочтительней округлять число листов (рис. 4.22) в поясе до целого или выбирать последний лист равным половине длины листа.

Принимаем число листов в поясе . Тогда периметр резервуара

а окончательный радиус

.

Уточненный объем резервуара.

Рис. 4.22. Развертка и сечение стенки вертикального резервуара
2. Определение толщины стенки резервуара

Определение методики и параметров, необходимых для расчета

Минимальная толщина листов стенки резервуара РВС для условий эксплуатации рассчитывается по формуле

,

где – коэффициент надежности по нагрузке гидростатического давления;

– коэффициент надежности по нагрузке от избыточного давления и вакуума;

– плотность нефти, кг/м 3 ;

– радиус стенки резервуара, м ;

– максимальный уровень взлива нефти в резервуаре, м ;

– расстояние от днища до расчетного уровня, м ;

– нормативная величина избыточного давления;

– коэффициент условий работы, для нижнего пояса, для остальных поясов;

– расчетное сопротивление материала пояса стенки по пределу текучести, Па .

Расчетное сопротивление материала стенки резервуаров по пределу текучести определяется по формуле (4.10):

где – нормативное сопротивления растяжению (сжатию) металла стенки, равное минимальному значению предела текучести, принимаемому
по государственным стандартам и техническим условиям на листовой прокат;

– коэффициенты надежности по материалу;

Так как объем резервуара более 10 000 м 3 .

Стенка резервуара относится к основным конструкциям подгруппы «А», для которых должна применяться сталь класса С345 (09Г2С-12) с нормативным расчетным сопротивлением .

Вычисляем расчетное сопротивление:

.

Вычисление предварительной толщины стенки для каждого пояса резервуара

Для вычисления используем формулу (4.9), в которой, начиная со второго пояса, единственным изменяемым параметром при переходе от нижнего пояса к верхнему является координата нижней точки каждого пояса

где – номер пояса снизу вверх;

– ширина листа.

Основные геометрические размеры резервуара при проведении прочностных расчетов округляем в большую сторону до номинальных размеров так, чтобы погрешность шла в запас прочности: .

Толщина первого пояса определяется при ; ;
:

Для второго пояса при ,

Для остальных поясов резервуара полученные значения для толщины стенки приведены в табл. 4.12.

Таблица 4.12

Толщина стенки поясов резервуара

Выбор номинального (окончательного) размера толщины стенки.

Значение минимальной толщины стенки для условий эксплуатации увеличивается на величину минусового допуска на прокат и округляется до ближайшего значения из сортаментного ряда листового проката. Полученное значение сравнивается с минимальной конструктивной толщиной стенки , определяемой по табл. 4.4.

В качестве номинальной толщины каждого пояса стенки выбирается значение большей из двух величин, округленное до ближайшего значения из сортаментного ряда листового проката:

где – припуск на коррозию, мм ;

– значениеминусовогодопускана толщину листа, мм ;

– минимальная конструктивная толщина стенки.

Величину минусового допуска определяют по предельным отклонениям на изготовление листа. Соответствующие предельные отклонения по толщине листа приводятся в табл. 4.5.

Припуск на коррозию элементов резервуара представляется заказчиком (в курсовом проекте припуск на коррозию необходимо выбирать
2–3 мм).

В табл. 4.13 приводятся все данные для выбора номинального размера толщины стенки.

Таблица 4.13

Номинальная толщина стенки

3. Расчет стенки резервуара на устойчивость

Проверка устойчивости стенки резервуара производится по формуле (4.13):

где – расчетные осевые напряжения в стенке резервуара, МПа;

– расчетные кольцевые напряжения в стенке резервуара, МПа ;

– критические осевые напряжения в стенке резервуара, МПа ;

– критические кольцевые напряжения в стенке резервуара, МПа .

Осевые напряжения определяются по минимальной толщине стенки пояса, кольцевые напряжения – по средней толщине стенки.

Расчетные осевые напряжения для резервуаров РВС определяются по формуле (4.14)

где – коэффициент надежности по нагрузке от собственного
веса;

– коэффициент надежности по снеговой нагрузке;

– вес покрытия резервуара, Н ;

– вес вышележащих поясов стенки, Н ;

– полное расчетное значение снеговой нагрузки на горизонтальную проекцию покрытия, Н ;

– вес покрытия резервуара, Н ;

– расчетная толщина стенки i-го пояса резервуара, м .

Определение веса крыши

Вес покрытия резервуара рассчитывается по нормативному давлению крыши (табл. 4.6)

Для резервуара объемом давление крыши .

Определение веса стенки резервуара

Вес вышележащих поясов стенки резервуара определяется из условия, что высота всех поясов одинакова и равна ширине листа :

,

где – номер последнего пояса, если начало отсчета снизу;

– удельный вес стали.

Вес стенки при расчете первого пояса

.

Вес стенки при расчете второго пояса

Результаты расчетов веса стенки для всех поясов приведены в табл. (4.14).

Таблица 4.14

Вес стенки резервуара

Нехаев Геннадий Алексеевич

Проектирование и расчет стальных цилиндрических резервуаров и газгольдеров низкого давления

Издательство АСВ

Год 2005

Описание:

Изложены основные положения по сбору нагрузок, расчету и конструированию элементов и узлов стальных цилиндрических резервуаров и газгольдеров низкого давления. Приведены примеры расчета конструкций резервуаров, газгольдеров и их покрытий. Предназначено студентам инженерной специальности "Промышленное и гражданское строительство для курсового и дипломного проектирования.

ISBN: 5-93093-366-9

Количество страниц: 216

Введение

Глава I . Общие сведения о резервуарах и газгольдерах низкого давления

1.1. Классификация и назначение резервуаров

1.2. Краткая характеристика и назначение газгольдеров низкого давления

1.3. Стали, применяемые для резервуаров и газгольдеров низкого давления

1.4. Сварные соединения и швы

Глава II . Основные положения расчета и конструирования листовых конструкций

2.1. Некоторые сведения из теории расчета тонких оболочек вращения

2.2. Расчет на устойчивость листовых конструкций

2.3. Краевой эффект в месте сопряжения цилиндрических круговых оболочек с плоскими днищами

2.4. Расчет листовых обшивок

2.5. Постоянные и временные нагрузки на резервуары и газгольдеры низкого давления

Глава III . Вертикальные цилиндрические резервуары низкого давления

3.1. Основания и фундаменты под резервуары

3.2. Конструирование и расчет днищ резервуаров

3.2.1. Пример расчета окраек вертикального цилиндрического резервуара объемом 5000 мЗ

3.3. Определение оптимальных габаритных размеров резервуара

3.4. Расчет и конструирование стенок резервуара

3.5. оптимизация толщин листов стенки по высоте резервуара

3.6. Пример расчета днища и стенки резервуара объемом 30000 мЗ

3.7. Стационарные крыши вертикальных резервуаров низкого давления

3.8. Расчет и конструирование элементов конического покрытия

3.9. Пример расчета элементов конического покрытия

3.10. Расчет и конструирование элементов сферического покрытия

3.10.1. Характеристика ребристо-кольцевого купола

3.10.2. Нагрузки на купол

3.10.3. Расчет радиальных ребер купола

3.10.4. Расчет кольцевых элементов

3.11. Пример расчета элементов ребристо-кольцевого купола

3.11.1. Установление габаритных размеров сферического покрытия

3.11.2. Сбор нагрузок на купол

3.11.3. Расчет радиального ребра купола

3.11.4. Расчет кольцевых элементов купола

3.12. Расчет и конструирование плавающей крыши

3.13. Пример расчета плавающей крыши

3.14. Эксплуатационное оборудование вертикального резервуара

Глава IV . Горизонтальные цилиндрические резервуары для нефти и нефтепродуктов

4.1. Основные особенности конструирования горизонтальных резервуаров

4.3. Расчет стенки резервуара на прочность и устойчивость

4.4. Пример расчета стенки горизонтального резервуара

4.5. Расчет плоских и конических днищ горизонтального резервуара

4.6. Конструкция и расчет сопряжения плоских днищ со стенкой горизонтального резервуара

4.7. Пример расчета плоского днища горизонтального резервуара

4.8. Пример расчета конического днища горизонтального резервуара

4.9. Расчет опорного кольца жесткости резервуара

4.10. Пример расчета опорного кольца жесткости с диафрагмой в виде треугольника

Глава V . Мокрый газгольдер

5.1. Особенности конструирования элементов мокрого газгольдера

5.2. Определение габаритных размеров частей газгольдера и их масс

5.3. Расчет стенок газгольдера

5.4. Пример расчета элементов мокрого газгольдера

5.4.1. Определение основных размеров газгольдера

5.4.2. Определение веса пригруза

5.4.3. Определение толщины листов стенки резервуара из условия прочности

5.4.4. Определение толщины листов стенок колокола и телескопа

5.4.5. Расчет и конструирование элементов сферического покрытия колокола

5.4.5.1. Конструирование элементов покрытия колокола

5.4.5.2. Сбор нагрузок на покрытие

5.4.5.3. Расчет радиального ребра купола

5.4.5.4. Расчет и конструирование опорного кольца покрытия купола

5.4.5.5. Расчет и конструирование промежуточного кольца покрытия

Глава VI . Сухие газгольдеры переменного объема

6.1. Сухой газгольдер поршневого типа

6.2. Пример расчета элементов сухого газгольдера поршневого типа

6.2.1. Определение габаритных размеров газгольдера

6.2.2. Определение толщины стенки газгольдера из условия прочности стыковых швов

6.2.3. Расчет горизонтальных колец жесткости на ветровую нагрузку

6.2.4. Расчет основных элементов ребристого покрытия газгольдера

6.2.5. Расчет основных элементов поршня

6.3. Сухой газгольдер с гибкой секцией

6.4. Пример расчета элементов сухого газгольдера с гибкой секцией

6.4.1. Определение габаритных размеров газгольдера

6.4.2. Расчет стенки газгольдера

6.4.3. Расчет конструкций шайбы

Приложение

Библиографический список использованных источников

ВВЕДЕНИЕ

Листовыми конструкциями называют емкостные конструкции, состоящие из металлических листов и предназначенные для хранения или транспортирования жидкостей, газов и сыпучих материалов. Они занимают особое место среди всего многообразия металлических конструкций. Для листовых конструкций характерно двухосное напряженное состояние, а в местах сопряжения различных оболочек, расположения колец жесткости, примыкания к днищам возникают местные напряжения, называемые краевым эффектом. Нормы проектирования не требуют обязательной проверки листовых конструкций на напряжения в зонах краевого эффекта. Однако в ответственных случаях необходимо учитывать повышенный уровень напряжений в этих зонах.

К листовым конструкциям относятся:

Резервуары для хранения различных жидкостей;

Газгольдеры для хранения и распределения газов;

Бункеры и силосы для хранения и перегрузки сыпучих материалов;

Трубопроводы большого диаметра (D > 0,5 м), используемые для транспортирования нефтепродуктов, газа, воды, размельченных или разжиженных веществ;

Специальные конструкции металлургической, химической и других отраслей промышленности (кожухи доменных печей, воздухонагревателей, сосуды химической и нефтегазовой аппаратуры и т.п.);

Дымовые и вентиляционные трубы;

Защитные сооружения - оболочки АЭС;

Мембранные висячие покрытия.

Для листовых конструкций характерно двухосное напряженное состояние, а в местах сопряжения оболочек, у колец жесткостей и т.п. - наличие местных изгибающих моментов, называемых краевым эффектом. Сварные швы листовых конструкции должны быть прочноплотными. При конструировании листовых конструкций необходимо предусматривать индустриальные методы их изготовления и монтажа путем применения:

Лент и листов больших размеров;

Способа рулонирования, изготовления заготовок в виде скорлуп и др.;

Раскроя, обеспечивающего минимальное количество отходов;

Минимального количества сварных швов, выполняемых на монтаже.

Среди многообразия листовых конструкций можно выделить по принципу единой методики расчета и конструирования цилиндрические резервуары и газгольдеры (низкого давления), которые имеют широкое распространение из-за простоты изготовления и монтажа.

В зависимости от свойств хранимой жидкости, режима эксплуатации и климатических особенностей района строительства определяется форма и тип резервуара. Широкое распространение получили вертикальные и горизонтальные цилиндрические резервуары. Вертикальные резервуары со стационарной крышей в большинстве своем являются сосудами низкого давления (с избыточным давлением в паровоздушной зоне до 2 кПа (200 мм водяного столба и вакуумом до 0,25 кПа). Эти резервуары просты в изготовлении и монтаже, экономичны по расходу металла.

Вертикальные цилиндрические резервуары повышенного давления (с избыточным давлением 10...70 кПа) имеют достаточно сложные конструктивные решения крыш. К этому типу резервуаров относятся изотермические резервуары для хранения сжиженных газов. Изотермические резервуары относят к специальным типам резервуаров, поскольку они имеют свои особенности расчета и конструирования. Изотермические резервуары изготавливаются из особых марок сталей; при расчетах требуется учет температурных деформаций; опираются они на искусственное основание. ПРАВИЛА ПБ 03-381-00 не распространяются на изотермические резервуары.

В связи с этим в учебном пособии предпринята попытка более детального рассмотрения и систематизации имеющихся сведений по расчету и конструированию вертикальных цилиндрических резервуаров низкого давления, а также горизонтальных цилиндрических резервуаров для хранения нефти и нефтепродуктов при избыточном давлении до 70 кПа. В этом случае несущая способность горизонтальных резервуаров определяется по первой группе предельных состояний.

Газгольдеры предназначаются для хранения газов и регулирования их давления. Они делятся на две группы: переменного объема (мокрые и сухие) и постоянного объема. Газгольдеры переменного объема называются газгольдерами низкого давления (до 5 кПа), постоянного объема (с избыточным давлением 250...2000 кПа) - сосудами высокого давления. Газгольдеры низкого давления рассчитывают по предельным состояниям. Поэтому в пособии рассматриваются только газгольдеры низкого давления.

Круглая форма в плане вертикальных резервуаров и газгольдеров вызывает необходимость конструирования покрытий над ними в виде куполов (реже висячих систем). По своей конструкции купола бывают ребристыми, ребристо-кольцевыми и сетчатыми. Наиболее приемлемыми куполами для рассматриваемых сооружений являются ребристо-кольцевые и сетчатые.

Чаще всего применяются ребристо-кольцевые купола, собираемые из криволинейных трапециевидных стальных щитов.

В общем случае сбор нагрузок и расчет купола представляют достаточно сложную задачу даже с применением ЭВМ.

С целью лучшего понимания методики определения и распределения усилий в элементах купола, а также упрощения расчета узлы купола конструируют шарнирными. При этом такая купольная система с применением щитов становится статически определимой, расчленяемой на простые стержневые элементы.

Изложенный в учебном пособии материал иллюстрирован конструктивными схемами и примерами расчета, что, несомненно, будет способствовать более глубокому усвоению студентами теоретического материала.

Автор выражает глубокую признательность зав. кафедрой «Металлические конструкции» МГСУ докт. техн. наук, профессору Кудишину Ю. И., сотрудникам кафедры канд. техн. наук, профессору Соболеву Ю. В. и канд. техн. наук, доценту Астряб С. М. за нелегкий труд по рецензированию данной работы и ценные замечания.

Похожие статьи

Методика, предлагаемая Л

Политика рф счастье людей где

Как правильно приобретать активы

Качество жизни населения Виды социальной помощи