Математическое моделирование напряженно-деформированного состояния железобетонного резервуара по программе AXIS-LQ 2.1

Размещено на http://www.allbest.ru/

УДК 624.012.464

Математическое моделирование напряженно-деформированного состояния железобетонного резервуара по программе AXIS-LQ 2.1

М.А.Сенющенков, С.Н.Швачко

Математическое моделирование и информационные технологии

Аннотация

напряженный железобетонный армирование программа

Рассмотрена методика анализа напряженно-деформированного состояния (НДС) железобетонных резервуаров с использованием осесимметричных расчетных схем по программе AXIS-Lq 2.1 на примере резервуара емкостью 30000 м³. Выявлены наиболее опасные участки конструкции и даны предложения по увеличению армирования этих зон. Установлен критический уровень остаточного предварительного напряжения кольцевой арматуры.

Annotation

M.A.Senushenkov, S.N.Shvachko

(Bryansk State Engineering-Technological Academy, Bryansk)

Mathematical modeling of stress-deformed condition of reinforced-concrete reservoirs to the program AXIS-Lq 2.1

In this article the method of analysis of stress-deformed condition of reinforced-concrete reservoirs with the usage of the axisimmetrical calculation schemes according to the program AXIS-Lq 2.1 for the reservoir with the capacity of 30000 m³ as an example is examined. The most dangerous sectors of the construction are revealed and the offers for the increase of quantity of steel in this sectors are given. The minimum level of the residual pre-stress of the circular armature is defined.

По территории Брянской области проходит участок магистрального нефтепровода «Дружба». Существующие сооружения для хранения и перекачки нефти, в том числе и железобетонные резервуары объемом 30000 м³, введены в действие 30-40 лет назад. После длительной эксплуатации возникают проблемы, связанные с коррозийным износом несущих строительных конструкций и соответственно с дальнейшим функционированием резервуаров [1].

Исследуемое сооружение представляет собой заглубленный цилиндр, обвалованный землей (рис. 1, 2). Нагрузку от покрытия на днище передают железобетонные колонны и стенка резервуара. Покрытие, стенка и колонны резервуара выполнены из предварительно напряженных сборных железобетонных конструкций, днище - монолитный железобетон.

Резервуар имеет следующие основные размеры:

– наружный диаметр - 66 м;

– высота резервуара от верха днища до низа плит покрытия - 9,0 м;

– уровень залива продукта - 8,8 м.

Рис. 1. Общий вид заглубленного железобетонного резервуара для хранения нефтепродуктов вместимостью 30000 м³

Рис. 2. Расчетная схема железобетонного резервуара

Днище, стенка и покрытие железобетонного резервуара имеют осесимметричную форму. В связи с этим при математическом моделировании его напряженно-деформированного состояния возможно использование осесимметричной расчетной модели с применением осесимметричных высокоточных оболочечных конечных элементов [2, 3] для моделирования конструкций днища, стенки и покрытия. В то же время следует отметить, что колонны, передающие нагрузку от покрытия на днище резервуара, нарушают осевую симметрию сооружения и поэтому не могут быть описаны в рамках выбранной осесимметричной модели. Мы их рассматриваем как внутренние несимметричные связи [4]. Работа колонн учитывается путем введения эквивалентных нагрузок, действующих на покрытие и днище резервуара. Использование осесимметричной модели железобетонного резервуара позволяет значительно снизить затраты машинного времени и увеличить точность расчета.

Указанные методы были реализованы в программном комплексе для анализа осесимметричных конструкций AXIS-Lq 2.1. Программный комплекс AXIS-Lq 2.1 позволяет выполнять нелинейный анализ при действии осесимметричных нагрузок, линейный анализ при действии несимметричных нагрузок, а также определять критическое значение осесимметричной нагрузки из условия общей устойчивости. При выполнении расчета для каждого элемента конструкции вычисляются перемещения, усилия, напряжения, а также определяется требуемое армирование в соответствии с рекомендациями СНиП [5].

На стадии эксплуатации на резервуар действуют следующие нагрузки: собственный вес конструкций резервуара, нефть, грунт обсыпки, вода на покрытии, снег, вакуум или избыточное давление, а также нагрузка на покрытие, стенку и днище от обжатия резервуара кольцевой арматурой.

Рассмотрим напряженно-деформированное состояние каждого элемента резервуара в отдельности.

Покрытие (рис. 3а) работает по схеме многопролетной неразрезной балки. При этом максимальные изгибающие моменты возникают в середине пролета и на опорах, а максимальные поперечные силы - на опорах.

Стенка резервуара (рис. 3б) работает как цилиндрическая оболочка под действием полярно-симметричной нагрузки, характерной особенностью которой является краевой эффект в месте сопряжения стенки с днищем. В связи с этим к стыку стенки и днища предъявляются повышенные требования. Для восприятия изгибающего момента в основании стеновых панелей предусмотрены дополнительные арматурные сетки.

а)

б)

в)

Рис. 3. Поля эквивалентных напряжений в железобетонном резервуаре вместимостью 30000 м³: а - покрытие резервуара; б - стенка резервуара; в - днище резервуара

В вертикальном направлении в стенке возникают сжимающие усилия от действия части нагрузки на покрытие и собственного веса. Действие горизонтальной распределенной нагрузки на стенку вызывает появление больших сжимающих (от действия грунта и предварительного напряжения) или растягивающих (от действия нефти) усилий в кольцевом направлении.

Днище (рис. 3в) работает как плита на упругом основании под действием равномерно распределенной нагрузки от собственного веса конструкций и веса нефти, сосредоточенных сил от нагрузки на покрытие, передаваемой через колонны и стены, а также изгибающего момента по периметру днища, передаваемого от стены.

Наибольшие изгибающие моменты, передаваемые на днище от стенки через жесткий стык, возникают в сопряжении днища со стенкой. Для восприятия этого момента в месте стыка предусмотрено утолщение и дополнительные арматурные сетки.

Также значительные изгибающие моменты возникают в месте опирания колонн на днище. Здесь также предусмотрены дополнительные арматурные сетки. Существенные изгибающие моменты противоположного знака возникают между колоннами. Дополнительных мероприятий для усиления этих участков не предусмотрено. Тем не менее эти участки также требуют особого внимания.

В последнее время на ЛПДС «Унеча» проведено полное обследование нескольких резервуаров емкостью 30000 м³. Результаты обследования [1, 6] показывают, что в конструкциях резервуара в процессе эксплуатации накапливаются однотипные дефекты, которые создают опасные ситуации.

Одним из наиболее опасных дефектов является уменьшение предварительного напряжения конструкций резервуара вследствие коррозии и обрыва кольцевой арматуры. Это может привести к образованию трещин и как следствие к разгерметизации сооружения.

Нормативными документами [5] к железобетонным резервуарам предъявляются требования первой категории по трещиностойкости, согласно которым в железобетонных конструкциях недопустимо появление тре-щин при эксплуатации. Поэтому максимальные растягивающие напряжения в железобетонных конструкциях резервуара не должны превышать расчетного сопротивления бетона растяжению.

Анализ влияния остаточного предварительного напряжения кольцевой арматуры на НДС стенки показал, что при уровне этого напряжения ниже 28% от первоначального в стенке возникают недопустимые растягивающие напряжения. В данном случае необходимо выполнить частичное или полное восстановление предварительного напряжения кольцевой арматуры.

Список литературы

1. Краснов, Ю.В. Некоторые проблемы эксплуатации и реконструкции резервуаров для хранения нефти / Ю.В.Краснов, О.В.Хромых, С.Н.Швачко, А.Н.Изотов // Материалы науч.-техн. конф., 16-18 мая 2001 г. - Т.3. - Брянск: БГИТА, 2001. - С. 61-64.

2. Мяченков, В.И. Расчет составных оболочечных конструкций на ЭВМ: справочник / В.И.Мяченков, И.В.Григорьев. - М.: Машиностроение, 1981. - 218 с.

3. Мяченков, В.И. Расчеты машиностроительных конструкций методом конечных элементов: справочник / В.И.Мяченков, В.П.Мальцев, В.П.Майборода [и др.]; под общ. ред. В.И.Мяченкова. - М.: Машиностроение, 1989. - 520 с.

4. Швачко, С.Н. Моделирование внутренних и внешних дискретных связей пространственных сооружений эквивалентными нагрузками в рядах Фурье на основе осесимметричной модели / С.Н.Швачко, М.А.Сенющенков // Проблемы строительного и дорожного комплексов: сб. науч. тр. по итогам междунар. науч.-техн. конф. - Вып. 4. - Брянск: БГИТА, 2006. - С. 89-94.

5. СНиП 52-01-2003. Бетонные и железобетонные конструкции / Госстрой России. - М., 2003.

6. Швачко, С.Н. Физическая модель резервуара для хранения нефти / С.Н.Швачко, Ю.В.Краснов // Современные проекты, технологии и материалы для строительного, дорожного комплексов и жилищно-коммунального хозяйства: материалы междунар. науч.-практ. конф., 10-11 апр. 2002 г. - Брянск: БГИТА, 2003. - С. 145-151.

Материал поступил в редколлегию 17.10.07.

Размещено на Allbest.ru