Инженерные сооружения. Вариант 9

१ 3.doc

Министерство образования и науки Российской Федерации
Московский Государственный Открытый Университет
Строительный факультет
Кафедра строительных конструкций
«ИНЖЕНЕРНЫЕ СООРУЖЕНИЯ»
строительного факультета
Исходные данные для проектирования:
Объем резервуара 30000 м3
Высота стенки резервуара 22 м
Избыточное давление 2 к ПА
Район строительства по снеговой нагрузке IV -1 Кнм2
Район строительства по ветровой нагрузке IV - 017 кгсм2
Коэффициенты надежности по нагрузке:
для гидростатического давления γf1 = 11; для внутреннего избыточного давления γf2 = 115.
Коэффициент условий работы для стенки резервуара γс = 08; для элементов покрытия и стойки γс = 1.
Коэффициент надежности по материалу: γm = 105.
Коэффициент надежности по назначению: γn = 1.
Задание: рассчитать и сконструировать стенку днище и покрытие вертикального цилиндрического резервуара вместимостью 30000 м3 для хранения жидкости с низкой упругостью паров (см. рис.2 а). Плотность жидкости — ρ=00009 кгсм3. Место строительства — IV район по снеговому покрову нормативная нагрузка — 1 кНм2. Материал резервуара — сталь марки С440 ГОСТ 19282-73* Rу= 400 МПа; сварка листов — электродами марки Э50. Избыточное давление паров испаряющейся жидкости направленное наружу принять ρ0=2 кПа а вакуум (нагрузку внутрь резервуара) - 250 Па. Коэффициент надежности по назначению γn = 1.
Назначение размеров резервуара. Наиболее выгодное соотношение между высотой резервуара Н и диаметром D (по данным академика В. Г. Шухова) при заданном объеме устанавливается следующими двумя правилами: 1) резервуар с переменной толщиной стенки имеет минимальный вес если объем стали в днище и покрытии равен стали в стенке; 2) резервуар с постоянной толщиной стенки имеет наименьший вес при условии что объем стали в днище и покрытии в 2 раза меньше объема стали в стенке. Исходя из этих правил оптимальную форму резервуаров назначают при следующих соотношениях НD: для объема 100—600 м3 принимают HD = 11 14; для объема до 10000 м3—НD = 12 15. При этом высота резервуара должна быть кратна ширине листов (1400 или 1500 мм). Наибольшая оптимальная высота больших резервуаров (до 10000 м3) составляет около 12 м десять поясов по 2200 мм.
Принимаем: номинальные размеры Н = 22 м и D = 42 м отношение НD 12; в типовом резервуаре объемом 30000 м3 конструктивные размеры по высоте Н = 21845 мм внутренний диаметр D0 = 41 790 и наружный диаметр D = 41810 мм (укладывается по длине окружности 20 листов длиной по 8 м).
Крышу резервуара проектируем в виде щитов состоящих из листов толщиной t = 25 мм уложенных на каркас из двутавров швеллеров и уголков. Щиты опираются на центральную трубчатую стойку и корпус резервуара.
Днище расположенное на песчаном основании испытывает только сжатие от давления жидкости поэтому толщину его листов назначаем по конструктивным соображениям: при D18 м принимают t= 4 мм при D = 18 25 м t = 5 мм и при D > 25 м t = 6 мм. В данном примере при D = 4181 м назначаем днище из листов t = 6 мм; диаметр днища
Db=D+90 = 41810+90 = 41900 мм
(выступ днища за пределы стенки принимают не более 50 мм).
Расчет стенки резервуара. Принимаем высоту уровня залива резервуара Н0=215 м а с учетом избыточного давления р0 = 2кПа условная высота
Н' = Н0 + роρ = 215+2(100)00009.106 = 217 м.
Расчетная схема стенки корпуса резервуара показана на рис.4. По высоте резервуара стенка состоит из десяти поясов высотой по 2200 мм. Расчетное сечение каждого пояса расположено на 300 мм выше его нижней кромки т. е. в сечении где не учитывается влияние кольцевых швов смежного пояса.
Пояс стенки резервуара из условия обеспечения прочности (по первой группе предельных состояний) рассчитываем по формуле
= [(γf1ρx + γf2p0)r]t≤γcRwy (1)
t = [(γf1ρx + γf2p0)r]t≤γcRwy (2)
где γf1—коэффициент надежности по нагрузке для гидростатического давления равный 11;
γf2— то же для внутреннего избыточного давления γf2=115; γc— коэффициент условий работы равный для стенки резервуара 08; Rwy — расчетное сопротивление сварного шва встык растяжению; для конструкций из стали марки C440 при автоматической сварке или полуавтоматической и ручной сварке с физическим контролем качества шва
Rwy=Ry= 400 МПа а без физического контроля Rwy= 085 . 400 = 340 МПа;
ρ — плотность нефтепродуктов принимаемая обычно 00009 кгсм3 (00009 .106 кгм3).
Расчет поясов стенки по формуле (2) сведен в табл. 1. Для первого пояса (нижнего)
Таблица 1. Расчет поясов стенки резервуара
Расстояние от верха резервуара мм
(х1 – 340) до расчетного уровня мм
Внутреннее усилие на поясе (γf1ρx +γf2p0)r Нсм
Расчетная толщина пояса мм при Rwy МПа
Принятая толщина листов t мм
Напряжение в поясе МПа
до расчетного уровня х1
расчет толщины листов для полосы длиной 1 см выполнен следующим образом:
t1=[(γf1ρx + γf2p0)r]t≤ γcRwy= [11 .00009 (10)* 2120 + 115-0002(100)*] 209008.400(100)* = (21 + 023). 209008.40000 = 138 см
t2 = ( 11 . 00009 . 10 . 1900 +115 . 0002 . 100) . 2090 08 . 400 . 100 = 124 см
t3 = ( 11 . 00009 . 10 . 1680 +115 . 0002 . 100) . 2090 08 . 400 . 100 = 11 см
t4 = ( 11 . 00009 . 10 . 1460 +115 . 0002 . 100) . 2090 08 . 400 . 100 = 095 см
t5 = ( 11 . 00009 . 10 . 1240 +115 . 0002 . 100) . 2090 08 . 400 . 100 = 082 см
t6 = ( 11 . 00009 . 10 . 1025 +115 . 0002 . 100) . 2090 08 . 400 . 100 = 068 см
t7 = ( 11 . 00009 . 10 . 810 +115 . 0002 . 100) . 2090 08 . 400 . 100 = 054 см
t8 = ( 11 . 00009 . 10 . 594 +115 . 0002 . 100) . 2090 08 . 400 . 100 = 04 см
t9 = ( 11 . 00009 . 10 . 378 +115 . 0002 . 100) . 2090 08 . 400 . 100 = 026 см
t10 = ( 11 . 00009 . 10 . 158 +115 . 0002 . 100) . 2090 08 . 400 . 100 = 012 см
(здесь числа (10)* и (100)* введены для приведения размерностей в систему СИ;
r = D02 = 417902 20895 мм=2090 см);
при Rwy=340 МПа толщина листов пояса будет t = 14 мм.
Аналогично выполнен расчет для других поясов. Принятые в табл. 1 толщины поясов для конструирования резервуара соответствуют Rwy = 340 МПа т. е. для случая полуавтоматической сварки. Для поясов 6—10 назначена толщина листов t = 10 мм по конструктивным соображениям.
Проверяем напряжение в нижнем поясе стенки резервуара на кривой эффект с учетом действия краевого момента М1:
=(Т1t + 6М1t2)≤Ryγс; (3)
М1 = 01(11ρh+115р0)rt. (4)
Значение момента М1 максимально на расстоянии x2 = s4 от днища
где s = 078 √ rt =0781√2090.22 = 5289 см.
x2 = 314 .52894 = 4152 см. х = 2154 4152 = 21125 см.
Для этого сечения усилие T1:
расчетный краевой момент равен при упругом защемлении стенки
М1 = 01 [11. 00009 (10) . 2120 + 115 . 0002 (100)] 2090 .22 = 1386021 Н.см;
напряжение в поясе по формуле (3)
= T1t + 6M1t2 = 630009622 + 1386021222 = 3150048 Нсм2 = 315 МПа γcRy = 08. 400 = 320 МПа.
т. е. условие прочности пояса удовлетворяется.
Схемы сопряжений поясов по высоте резервуара и эпюры давления и напряжения показаны на рис.5. После расчета стенки по прочности проверяют устойчивость формы корпуса резервуара при совместном действии равномерного осевого и радиального сжатия.
Рис. 5. Расчет стенки резервуара
а _ расположение поясов по высоте стенки; б — эпюры давлений и напряжений
Расчет конструктивных элементов щитов покрытия. Расчет конструкций покрытия производят на два вида нагрузок: нагрузки направленные внутрь резервуара — собственный вес и вакуум теплоизоляция снег; нагрузка направленная изнутри резервуара наружу — давление паров испаряющейся жидкости (избыточное давление 2 кПа).
Подсчет расчетных нагрузок действующих сверху вниз Нм2:
листовой настил t = 25 мм 00025 . 14100 . 105 (10) = 370
балки (приближенно) 150 . 105 + 50 . 105 = 210
вакуум (разрежение) 250 . 12 = 300
= 048 кПа = 48 кгсм2
= 48 . 11 . (-2) . 16 = 16896170 кгсм2
р = snγf = 1000 . 16 = 1600
(здесь γf = 16 так как отношение постоянной нагрузки к временной
всего: (g + p + ) = 880 + 1600 + 170 = 2650
Расчет настила. Принимаем настил приваренным к ребрам электродами марки Э50. Предельный относительный прогиб настила [1n0] =1150.
Из условия заданного предельного прогиба определяем отношение наибольшего пролета настила к его толщине lt по формуле предложенной А. Л. Телояном
lt =(4n015)(1+72Е1nqn) = (4.15015) (1 + 72 . 226 . 1061504 . 01602) = 842
n0 = [ E1 = Е(1 - 2) = 206.106(1- 032) = 226.108 Нсм2;
qn = 370105 + 250 + 1000 = 1602 Нм2 = 01602 Нсм2.
При t =25 мм пролет настила допустим l ≤ 842 . 25 = 2106 мм.
По конструктивным соображениям принимаем расстояние между ребрами 12 м.
Расчет поперечных ребер щита. Расчетный пролет ребер принят равномерно распределенная нагрузка при шаге поперечных ребер b = 12 м составляет (по щиту № 2 сеч. 3-3 на рис. 6 в):
q = (qow+ р+ )b = (370 + 300 + 1600 170 + 50 . 105).12 = 25836 Нм
где qow = 50 . 105 = 53 Нм2 — собственный вес ребра.
Изгибающий момент как в свободно опертой балке
M = ql28 = 25836 . 328 = 290655 Н.м.
Требуемый момент сопротивления сечения составляет
Wd = М Ryγс = 29065540000 = 726 см3.
По сортаменту подбираем [№ 6 Wx= 15 см3 Jх = 486 см2.
Относительный прогиб ребра (без учета настила ввиду его малой толщины) составит
fl = (5384) (qnl3EJx) = 5 . 215 . 3003384 . 206.106 . 486 = 00075 1132 1200
qn = qγf = 2583612 = 2153 Нм 215 Нсм;
Е = 206.106 Нсм2 (206.105 МПа).
Расчет продольной балки щита. Пролет балки при свободном опирании на стенку резервуара и оголовок (зонт) трубчатой стойки равен около 22 м. Равномерно распределенная нагрузка на 1 м длины балки при ширине грузовой площадки b 26 м
q = 2650 . 26 = 6890 Нсм.
Изгибающий момент от действия полной расчетной нагрузки составляет
М = ql28 = 6890 .2228 = 416845 Н.м.
Рис. 6. Сборные элементы стенки (корпуса) и щитового покрытия резервуара вместимостью 30000 м3
а — корпус резервуара (полотнище); б — план щитов покрытия; в — типы щитов покрытия; 1— щит Щ-1; 2 — то же Щ-2;
— фиксатор (ловитель); 4— стенка резервуара
Требуемый момент сопротивления сечения балки из условия обеспечения прочности в свою очередь
Wd = M Ryγс = 4168450040000 = 1042 см3.
Требуемый момент инерции сечения балки из условия обеспечения жесткости (при fl = 1250) составит:
Jxd = (5n0384) (qnl3Е) = (1250384) (57 . 22003206.106) = 95902 см4
qn = qγf = 689012 = 574167 Нм 57 Нсм;
n0 = [ 5n0 = 5 . 250 = 1250.
Принимаем по жесткости двутавр № 36 Jх=10820 см4.
Расчет элементов покрытия на вторую комбинацию нагрузок (избыточное давление изнутри резервуара наружу) не производим так как по заданию оно равно 2 кПа что меньше расчетной нагрузки сверху вниз равной 2650 кПа.
Расчет центральной стойки проводим на центрально приложенную осевую силу. Грузовая площадь покрытия
Ac = d4 = 3 14.20 924= 343 м2
dc= D2 = 41812= 209 м.
Вычисляем осевую силу
N = Ас (g + р+) + Gow = 343 (0880 + 16 017) + 154 . 105 = 95403 кН.
Здесь Gow — собственный вес стойки принимаемый по опыту типового проектирования: для резервуаров вместимостью 30000 м3 масса стойки на 1 м ее длины равна 700 кг; общая масса стойки длиной 22м
Gow = 700 . 22=15400 кг (154 кН).
Требуемая площадь сечения стойки при φ 08 составит
Аd = N φRyγс = 95403008 . 40000 = 2981 см2.
По конструктивным соображениям с учетом условий опирания щитов покрытия и использования стойки для рулонирования элементов резервуара принята стойка из трубы диаметром 3300 мм со стенкой толщиной 10 мм ТУ 14-3-1138—82 A = 340 см2 радиус инерции сечения i = 359 см сталь марки 17ПС—У (класса К-52) Ry 400 МПа.
Гибкость стойки λ = l0 φ = 093. Для предотвращения отрыва покрытия трубчатую стойку заполняют песком. Детали стойки показаны на рис.7. Оголовок (зонт) и базу стойки проектируют одинакового диаметра 26—3 м с расчетом возможности ее использования для рулонирования стенки или отправочной части днища резервуара на заводе-изготовителе.
Проверка устойчивости положения покрытия при действии избыточного давления р0 = 02 Нсм2. Общий вес покрытия Nr и стойки Nс без учета ветровой нагрузки
Рис. 7. Центральная стойка и днище резервуара
а — стойка; б — план днища: в — соединение стенки с днищем; г — крепление нижней (уторной) части резервуара анкерами; 1 — 3 — полосы полотнища днища; 4 — анкерный болт; 5 — стенка резервуара; 6 — кольцо жесткости; 7 - днище; 8 — стальная труба в которую опускается анкерный болт 4 до окончания монтажа днища; 9 — железобетонная плита или блок в грунте; 10 — окрайки поперечные; 11—то же продольные; 12 — подкладка
и коэффициентов надежности по нагрузке
N = Nr + Nc = 758 + 154= 912 > 8424 кН
Nr = A0gn = (D24)gn = (314 . 41824) (370 + 210) 1 05 = 75763655 Н = 758 кН;
Nс = Gow = 07 . 22.(10) = 154 кН.
Усилие изнутри резервуара вверх при р0 = 2 кПа составит
Nе = А0р0γf = (314 . 41824)2 . 115 = 3155 кН
Так как Nе = 3155 кН > Nr = 758 кН то требуется либо увеличить массу покрытия для предотвращения его отрыва либо предусмотреть крепление щитов покрытия к корпусу и стойке резервуара. Для увеличения массы как указано ранее трубчатую стойку заполняют песком.
Последовательно определяем:
массу песка при диаметре трубы 3300 мм и толщине стенки 10 мм
G1 = (D4)Hp = (314 . 100824)22 . 2200 = 38604 кг;
массу корпуса резервуара
Gс = DHρtm = 314 . 418 . 22 . 14100 . 000637 = 259350 260000 кг;
массу днища при t = 5 мм
Gb = (Db4)tρ = (314 . 41924) 0005 . 14100 = 97160 кг;
вес днища 97160 (10) = 971600 Н = 972 кН;
массу поясов жесткости и аппаратуры (по проекту) 10 т;
общую массу резервуара (ориентировочно):
Gr = N + G1 + Gс + Gb + 10 = 912 + 2632 + 260 + 972 + 10 = 48472 т;
усилие отрыва корпуса от днища
Nd = Nе - (Gr – Gb) = 3155 - (48472 - 972) = 7202 кН.
Проверяем напряжение в швах прикрепляющих нижний пояс стенки к днищу при действии усилия отрыва
= NdАw = 7202009200 = 783 Нсм2 (0783 МПа) γсRwfγwf = 08 . 320 . 1 = 256 МПа
где Aw= 2D(fkf) = 2 . 314 . 4180 . 07 . 05 = 9200 см2; kf = 5 мм с двух сторон пояса (толщину шва принимают равной не более меньшей толщины свариваемых листов).
Анкерные болты для крепления нижнего пояса резервуара к заглубленным железобетонным плитам по расчету не требуются. Стойку крепят к днищу анкерами или приваривают по контуру опорного кольца.
При внутреннем избыточном давлении в резервуаре более 2 кПа необходимо крепить нижний пояс стенки к заглубленным в грунт железобетонным плитам или блокам анкерными болтами (см. рис.7 г). Число болтов определяют расчетом на растяжение по усилию отрыва стенки от днища (обычно 4—6 болтов равномерно расположенных по контуру нижнего пояса стенки резервуара).
Проверку устойчивости формы оболочки (корпуса) резервуара при совместном действии вертикальных и горизонтальных (боковых) сжимающих усилий выполняют согласно рекомендации п. 8.5—8.9 СНиП 11-23-81* по формуле
где (1 2 — соответственно абсолютные значения расчетных продольного и кольцевого сжимающих напряжений; cr1 cr2 — соответственно нижние критические напряжения при раздельном равномерном действии осевого и радиального сжатия; γc = 1 (если нет других указаний).
Проверяем устойчивость формы резервуара для пятого пояса где толщина t = 14 мм. Для этого вычисляем:
продольное сжимающее напряжение от расчетных нагрузок
= NА = 43585501837528 = 2372 Нсм2 = 237 МПа
N = Ас (g + р + w) + G0wγf = 1029 . 2650 + 1554 . 105 = 435855 кН;
Ac = (4) (D2 – d) = (3144) (4182 - 2092) = 1029 м2;
d1 = 05D = 05 . 418 = 209 м;
А = Dt = 314 . 4180 . 14 = 1837528 см2 = 18375 м2;
G0w = A6ρ = 18375 . 6 . 14100 = 15545487 кг = 1554 кН;
кольцевое сжимающее напряжение при вакууме рv = 250 Па
= (pv + 04w)rt = (0025 + 04 . 017).209014 = 13883 Нсм2 = 14 МПа.
Определяем критические напряжения (по пп. 8.5 и 8. 7 СНиП II-23-81*):
при осевом сжатии: cr1 принимается равной меньшей из величин:
где с — коэффициенты по табл. 2 при этом коэффициент
= 097 - (000025+095RyE)rt где rt ≤ 300.
При rt = 209005 = 4180>300 коэффициент φ не учитывается а коэффициент с = 01317 (по интерполяции); тогда по формуле (7)
Сr1=01317 . 206 . 106 . 142090 = 18173 МПа;
при радиальном сжатии от воздействия вакуума (р = 250 Па);
при 051.г10 cr2 определяют по формуле
cr2 = 055E (rL)(tr)32 = 055.206.105 (20 922) (142090)32 = 186 МПа.(8)
Устойчивость проверяем по формуле (5):
Сr1 + 2Сr2 = 23718173 + 14186 = 088 γс= 1
т. е. оболочка устойчива.
Ркс. 8. Способы рулонирования и монтажа элементов резервуара
а — двухъярусный стенд для рулоннрования стенки и днища; б — монтаж резервуара; — стеллажи первого яруса; 2 — стеллаж для готового рулона; 3 — готовый рулон; 4 — силовое сворачивающее устройство; 5 — полотнище готовое к рулонированию; 6 — стеллажи второго яруса для сварки полотнищ в отправочные марки и их испытания; 7 — монорельс; 8 — барабан для подачи полотнищ на второй ярус; 9 — днище; 0— корпус; —косынки-фиксаторы; ?—-щит покрытия; 13 — подъемная стрела: 14 — шахта лестницы в качестве катушки рулона; 15 — стойка; А В С — рабочие зоны по сварке и испытанию поясов и полотнищ элементов резервуара
Указания по изготовлению и монтажу резервуара.
Конструктивные элементы резервуара (днище стенку щиты покрытия стойку и шахтную лестницу) изготовляют на заводе и доставляют на место строительства в виде укрупненных элементов. Днище сваривают из полос и разбивают на два элемента — половины днища. Стенку также сваривают из ранее подготовленных полос а затем (при t ≤ 11 мм) сворачивают на стенде в рулон вокруг стойки или шахтной лестницы и в таком виде доставляют на стройку (рис.8). Аналогично доставляют и половины днища (схемы раскладки полос днища показаны на рис.76). Половины днища соединяют внахлестку. После монтажа днища в центре устанавливают вертикально рулон корпуса и с помощью специального устройства разворачивают до заданного диаметра (см. рис8.б). Стык корпуса также выполняют внахлестку. Щиты покрытия укладывают на зонт стойки и стенку резервуара по мере разворачивания рулона корпуса. Для фиксирования положения на внешней стороне щитов предусматривают ловители из полосовой стали (см. сечение 1—1 на рис. 6). После приварки стенки к днищу и устройства всех монтажных швов корпуса проверяют качество сварки физическими или химическими способами обеспечивая непроницаемость соединений.
СНиП -23-81* «Стальные конструкции».
Мандриков А.П.. «Резервуар». Учеб. пособие – М.
Муханов К.К. «Металлические конструкции». Учеб. для вузов – М.: Издательство 2-е Стройиздат 1976 г.
Окольникова Г.Э. Курс лекций «КДиП». МГОУ.

р3.dwg

(Verwendungsbereich)
(Modell- oder Gesenk-Nr)
Инженерные сооружения
Проектирование резервуара
Московский Государственный Открытый Университет
Спецификация конструкции резервуара
ПРОЕКТИРОВАНИЕ РЕЗЕРВУАРОВ
План днища Д-1 М1:100
Развернутая длина стенки резервуара М1;200
План щитов покрытия М1:100
Центральная стойка резервуара СТ-1 М1:50
Фасад резервуара емкостью 5000м
Разрез стенки резервуара
Полоса полотнища днища
Стенка резервуара (корпус)
Крепление нижней части резервуара анкерами
Соединение стенки с днищем
Устройство ребер жесткости
ребра жесткости устраиваются на отм. +3
поперечное ребро щита