Моделирование и расчет вертикальных цилиндрических резевуаров на действие сейсмических нагрузок на примере резервуара V=3000 м 3 Скорук Л.Н., к.т.н. Моделирование и расчет вертикальных цилиндрических резевуаров на действие сейсмических нагрузок на примере резервуара V=3000 м 3 Научно-технический семинар «Расчет и проектирование конструкций в среде SCAD Office» г. Москва, 26 – 27 апреля 2011 г.

Исходные данные для расчета резервуара РВС г. Москва, апреля 2011 г. Научно-технический семинар «Расчет и проектирование конструкций в среде SCAD Office» п/пНаименование Един. изм. Значение1 Тип резервуара – вертикальный, цилиндрический, без крышки 2 Высота резервуара м12 3 Радиус резервуара, R м9 4Емкость м3м3м3м Количество поясов по высоте шт.8 6 Высота пояса м1,5 7 Толщина поясов по высоте мм 8-12 мм 8 Толщина окрайки днища мм8 9 Толщина центральной части днища мм6 10 Тип фундамента – железобетонный кольцевой, 2000х900 (h) мм 11 Расчетная глубина заполнения резервуара жидкостью м11,512 Плотность жидкости наполнения, кг/м Расчетная сейсмичность площадки строительства бал7 14 Расчетная снеговая нагрузка кг/ м Расчетная ветровая загрузка кг/ м 2 53,4 16 I– IV пояс (сталь 09Г2С) V– VIII пояс (сталь Ст3сп5) кг/см Количество анкеров шт.11 Согласно [12] коэффициент постели при существующих грунтах в расчетной схеме принят 4 кг/см 3 = т/м 3. Согласно [12] коэффициент постели при существующих грунтах в расчетной схеме принят 4 кг/см 3 = т/м 3.

Конструкция резервуара 3 При первоначальном задании на расчет предполагалось 11 анкеров г. Москва, апреля 2011 г. Научно-технический семинар «Расчет и проектирование конструкций в среде SCAD Office»

Методика и особенности расчета резервуара 4 В качестве основного метода сейсмических расчетов сооружений в нормах [2] принята линейно-спектральная теория сейсмостойкости. В качестве основного метода сейсмических расчетов сооружений в нормах [2] принята линейно-спектральная теория сейсмостойкости. г. Москва, апреля 2011 г. Научно-технический семинар «Расчет и проектирование конструкций в среде SCAD Office» при землетрясении происходят совместные колебания резервуара с жидкостью; при землетрясении происходят совместные колебания резервуара с жидкостью; наличие жидкости приводит к изменению собственных частот и форм конструкции по сравнению с колебаниями в пустоте, дополнительному гидродинамическому давлению на стенки и дно резервуара; наличие жидкости приводит к изменению собственных частот и форм конструкции по сравнению с колебаниями в пустоте, дополнительному гидродинамическому давлению на стенки и дно резервуара; для тонкостенных резервуаров гидродинамический расчет может оказаться основным, поскольку масса заполняющей жидкости значительно превосходит массу самого резервуара; для тонкостенных резервуаров гидродинамический расчет может оказаться основным, поскольку масса заполняющей жидкости значительно превосходит массу самого резервуара; в некоторых случаях необходимо также оценить высоту возникающей при колебаниях поверхностной волны (во избежание выплеска из резервуара, удара в крышку, обнажения погруженных в жидкость элементов оборудования и т.п.). в некоторых случаях необходимо также оценить высоту возникающей при колебаниях поверхностной волны (во избежание выплеска из резервуара, удара в крышку, обнажения погруженных в жидкость элементов оборудования и т.п.).

Определение нагрузки на резервуар 5 Давление на вертикальные стенки при горизонтальном сейсмическом воздействии распределяется по закону Давление на вертикальные стенки при горизонтальном сейсмическом воздействии распределяется по закону: г. Москва, апреля 2011 г. Научно-технический семинар «Расчет и проектирование конструкций в среде SCAD Office» где При вертикальном сейсмическом воздействии гидродинамическое давление распределено по стенкам линейно, по дну равномерно. При вертикальном сейсмическом воздействии гидродинамическое давление распределено по стенкам линейно, по дну равномерно. Его максимальное значение (у дна): В соответствии с расчетной сейсмичностью 7 баллов принимаются пиковые значения ускорений основания равное (в долях ) – В соответствии с расчетной сейсмичностью 7 баллов принимаются пиковые значения ускорений основания равное (в долях ) –

Определение нагрузки на резервуар 6 Равнодействующая горизонтального гидродинамического давления: г. Москва, апреля 2011 г. Научно-технический семинар «Расчет и проектирование конструкций в среде SCAD Office» где Форма эпюры сейсмического гидродинамического давления в резервуаре при горизонтальном сейсме – полная масса жидкости в резервуаре. Безразмерная координата ее приложения: Полная масса жидкости в резервуаре: Равнодействующая горизонтального гидродинамического давления: Координата ее приложения:

Определение высоты волны у стенки резервуара 7 Максимальная высота волны (у стенки): г. Москва, апреля 2011 г. Научно-технический семинар «Расчет и проектирование конструкций в среде SCAD Office» где – значение спектра ускорений, соответствующее n-й круговой частоте свободных колебаний жидкости: В нашем случае с учетом пяти членов ряда высота волны будет: = 1,05+0,158+0,076+0,047+0,033 = 1,364 м Таким образом, глубина жидкости в резервуаре должна быть ниже верхней кромки не менее чем 1,4 м и составлять в данном случае не более h = 10,6 м. Таким образом, глубина жидкости в резервуаре должна быть ниже верхней кромки не менее чем 1,4 м и составлять в данном случае не более h = 10,6 м.

Определение нагрузки на резервуар 8 г. Москва, апреля 2011 г. Научно-технический семинар «Расчет и проектирование конструкций в среде SCAD Office» Ввиду вышеуказанного задания нагрузки, расчет производился в линейной постановке!!!

Расчетная схема днища резервуара и загружения 9 г. Москва, апреля 2011 г. Научно-технический семинар «Расчет и проектирование конструкций в среде SCAD Office» Вода статика Сейсмика по Х Сейсмика по Z Ветер вдоль оси Х Коэф. постели Объемные эл-ты Анкера

Задание нагрузки на стенки резервуара 10 г. Москва, апреля 2011 г. Научно-технический семинар «Расчет и проектирование конструкций в среде SCAD Office» Excel Word Текстовый файл SCAD Нагрузка на стенки резервуара ввиду ее сложности (развитие нагрузки по окружности и высоте) задавалась с помощью текстового файла.

Расчет на прочность (главные и эквивалентные напряжения) г. Москва, апреля 2011 г. Научно-технический семинар «Расчет и проектирование конструкций в среде SCAD Office» Согласно п. 8.1 [3] расчет на прочность листовых конструкций (оболочек вращения), находящихся в безмоментном напряженном состоянии, следует выполнять по формуле: Согласно п. 8.1 [3] расчет на прочность листовых конструкций (оболочек вращения), находящихся в безмоментном напряженном состоянии, следует выполнять по формуле: В программе SCADреализовано четыре теории прочности, сведения о которых приведены в таблице. Все они относятся к изотропным материалам и условиям статического нагружения, когда история поведения конструкции не сказывается на формулировке условий разрушения. В программе SCAD реализовано четыре теории прочности, сведения о которых приведены в таблице. Все они относятся к изотропным материалам и условиям статического нагружения, когда история поведения конструкции не сказывается на формулировке условий разрушения. При определении вида выводимой информации в программе SCAD приняты следующие условные обозначения: S1, S2, S3 – главные напряжения; NE1 – эквивалентное напряжение (приведенное к эквивалентному растяжению) по первой теории прочности; NS1 – эквивалентное напряжение (приведенное к эквивалентному сжатию) по первой теории прочности; NE2, NE3, NE4 – эквивалентное напряжение (приведенное к эквивалентному растяжению) по 2 – 4 теориям прочности; NS2, NS3, NS4 – эквивалентное напряжение (приведенное к эквивалентному сжатию) по 2 – 4 теориям прочности. При этом абсолютные значения главных напряжений должны быть не более значений расчетных сопротивлений, умноженных на. При этом абсолютные значения главных напряжений должны быть не более значений расчетных сопротивлений, умноженных на.11

Расчет на прочность (главные и эквивалентные напряжения) г. Москва, апреля 2011 г. Научно-технический семинар «Расчет и проектирование конструкций в среде SCAD Office» При простых видах деформации, в частности, при одноосном напряженном состоянии об опасности действующих напряжений судят, сопоставляя их с экспериментально устанавливаемой величиной (с пределом текучести для пластических материалов или с временным сопротивлением для хрупких тел). При простых видах деформации, в частности, при одноосном напряженном состоянии об опасности действующих напряжений судят, сопоставляя их с экспериментально устанавливаемой величиной (с пределом текучести для пластических материалов или с временным сопротивлением для хрупких тел). Для сложного напряженного состояния, характеризующегося главными напряжениями 1, 2 и 3, обычно используется некоторая гипотеза (теория прочности) о преимущественном влиянии на прочность материала того или иного фактора. При этом предусматривается возможность сопоставления некоторого эквивалентного напряжения с пределом, который соответствует простому одноосному растяжению. Для сложного напряженного состояния, характеризующегося главными напряжениями 1, 2 и 3, обычно используется некоторая гипотеза (теория прочности) о преимущественном влиянии на прочность материала того или иного фактора. При этом предусматривается возможность сопоставления некоторого эквивалентного напряжения с пределом, который соответствует простому одноосному растяжению. В нашем случае нас интересуют главные напряжения согласно 4-ой теории прочности во внутреннем и внешнем слое стенки резервуара.12

Расчетная схема резервуара г. Москва, апреля 2011 г. Научно-технический семинар «Расчет и проектирование конструкций в среде SCAD Office» внешний слой внутренний слой внутренний слой13

Проверка устойчивости г. Москва, апреля 2011 г. Научно-технический семинар «Расчет и проектирование конструкций в среде SCAD Office» Проверка устойчивости показала, что элементы обслуживающей площадки теряют устойчивость при нагрузках меньших, чем расчетные и, тем самым выключаются из работы. Поэтому был выполнен второй расчет, где участие обслуживающей площадки в общей работе резервуара исключалось Проверка устойчивости только резервуара дала значение коэффициента запаса устойчивости 92,7. Проверка устойчивости показала, что элементы обслуживающей площадки теряют устойчивость при нагрузках меньших, чем расчетные и, тем самым выключаются из работы. Поэтому был выполнен второй расчет, где участие обслуживающей площадки в общей работе резервуара исключалось Проверка устойчивости только резервуара дала значение коэффициента запаса устойчивости 92,7. Расчетная схема для проверки устойчивостирезервуара К уст

Перемещения днища (при горизонтальном сейсме) г. Москва, апреля 2011 г. Научно-технический семинар «Расчет и проектирование конструкций в среде SCAD Office» N = -9,8…+83,4 т Z = -14,72…+38,05 мм Y = -3,97…+3,96 мм Х = +15,83…+26,76 мм15

Напряжения в днище и стенке (при горизонтальном сейсме) г. Москва, апреля 2011 г. Научно-технический семинар «Расчет и проектирование конструкций в среде SCAD Office» 16

Главные напряжения в стенке резервуара (при горизонтальном сейсме) г. Москва, апреля 2011 г. Научно-технический семинар «Расчет и проектирование конструкций в среде SCAD Office» S1 = … т/м 2 Внутреннийслой S2 = 0 т/м 2 S3 = … т/м 217

Главные напряжения в стенке резервуара (при горизонтальном сейсме) г. Москва, апреля 2011 г. Научно-технический семинар «Расчет и проектирование конструкций в среде SCAD Office» S1 = … т/м 2 Внешнийслой S2 = 0 т/м 2 S3 = … т/м 218

Эквивалентные напряжения в стенке резервуара (при горизонтальном сейсме) г. Москва, апреля 2011 г. Научно-технический семинар «Расчет и проектирование конструкций в среде SCAD Office» NE4 = +71… т/м 2 Внешний слой Внутренний слой NE4 = +47… т/м 2 для стали 09Г2СRy = x0,7 = т/м 2 запас прочности 16%19

Общие выводы и рекомендации 1. Принятые при расчете толщины поясов (I–IV пояс сталь 09Г2С, V–VII пояс сталь Ст3сп5) стенки резервуара 8-12 мм (рис. 1) обеспечивают ее прочность и устойчивость в условиях статических и сейсмических воздействий. 2. Коэффициент запаса устойчивости несущих конструкций резервуара составляет 92,7. 3. Корпус резервуара должен быть оборудован минимум 18 анкерами (с шагом 3,0 м) диаметром не менее 36 мм из стали марки 09Г2С. Усилия в анкерах при горизонтальном сейсмическом воздействии составляют -9,75…+83,44 т. 4. Максимальная высота волны у стенок резервуара при сейсмике в 7 баллов составляет 1,36 м. 5. Перемещения днища резервуара при горизонтальной сейсмической нагрузке при наличии анкеров составляют: - вдоль оси Х: +15,83…+26,76 мм; - вдоль оси Y: –3,97…+3,96 мм; - вдоль оси Z: –14,72…+38,05 мм. 6. Максимальные напряжения в резервуаре без учета коэффициента условий работы составляют NX = –7 644… т/м 2 (–764,4…+1776,5 кг/см 2 ) – вдоль стенки резервуара; NY = –20 955… т/м 2 (–2095,5…+2160,2 кг/см 2 ) – по окружности. 7. Максимальные эквивалентные напряжения по 4-ой энергетической теории прочности в стенке резервуара (см. рис. 7) без учета коэффициента условий работы составляют: - во внешнем слое NE4 = т/м 2 (1 778,6 кг/см 2 ); - во внутреннем слое NE4 = т/м 2 (1 871,6 кг/см 2 ). г. Москва, апреля 2011 г. Научно-технический семинар «Расчет и проектирование конструкций в среде SCAD Office» 20

Список использованной литературы 1. СНиП Нагрузки и воздействия / Госстрой ССР. М.: ЦИТП Госстроя ССР, СНиП ІІ-7-81*. Строительство в сейсмических районах / Минстрой России – М.: ГП ЦПП, – 52 с. 3. СНиП II-23-81*. Стальные конструкции. / Минстрой России.– М.: ГП ЦПП, – 96 с. 4. СНиП *. Бетонные и железобетонные конструкции. / Госстрой СССР. – М.: ЦИТП Госстроя СССР, – 88с. 5. ГОСТ Сосуды и аппараты. Нормы и методы расчета на прочность. 6. Справочник по динамике сооружений. – М.: Стройиздат, – 511 с. 7. Динамические расчеты сооружений на специальные воздействия. Справочник проектировщика / Под ред. Коренева Б.Г. и Рабиновича И.М.– М.: Стройиздат, Бирбраер А.Н. Расчет конструкций на сейсмостойкость. СПб.: Наука, – 255 с. 9. Стандарт АРI 650. Сварные стальные резервуары для хранения нефти. 10. Нехаев Г.А. Проектирование и расчет стальных цилиндрических резервуаров и газгольдеров низкого давления. Изд-во: АСВ, – 216 с. 11. Инструкция по проектированию, изготовлению и монтажу вертикальных цилиндрических стальных резервуаров для нефти и нефтепродуктов / Алматы, МИТ РК, Справочник проектировщика промышленных, жилых и общественных зданий и сооружений. Расчетно-теоретический. Книга2. / Под ред. А.А Уманского. – М.: Стройиздат, – 416 с. 13. SCAD для пользователя / В.С.Карпиловский, Э.З.Криксунов, А.А. Маляренко, А.А.Перельмутер, М.А.Перельмутер. – М.: Изд-во СКАД СОФТ, – 609 с. г. Москва, апреля 2011 г. Научно-технический семинар «Расчет и проектирование конструкций в среде SCAD Office» 21

Возможные аварии при эксплуатации резервуаров г. Москва, апреля 2011 г. Научно-технический семинар «Расчет и проектирование конструкций в среде SCAD Office» 22