Размещено на http://www.allbest.ru/

Министерство образования и науки РФ

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования

Иркутский национальный исследовательский технический университет

РЕФЕРАТ

по дисциплине: «Спецкурс по строительным конструкциям»

Листовые конструкции

Иркутск 2017

ВВЕДЕНИЕ

Листовые металлические конструкции относятся к емкостным сооружениям, предназначенным для хранения, транспортировки и переработки различных материалов. Они появились в связи с интенсивной разработкой нефтяных месторождений и развитием нефтяной и химической промышленности. Широкое применение их началось с середины XIX в. В это время впервые были построены трубопроводы большой протяженности для транспортирования нефти и керосина.

Большой вклад в развитие листовых конструкций внес выдающийся инженер-исследователь В.Г.Шухов (1853--1939). Он создал методы расчета нефтепроводов и обосновал выбор экономически целесообразных вариантов транспортирования нефти и нефтепродуктов. В.Г. Шухов впервые в 1878 г. применил для хранения нефти и нефтепродуктов металлические вертикальные цилиндрические резервуары, имеющие плоское металлическое днище и коническую крышу. Он разработал теорию проектирования резервуаров минимального веса, установив оптимальное соотношение между их диаметром и высотой. В резервуарах большой емкости он предложил изменять толщину стенки корпуса по высоте, что обеспечивало существенную экономию металла.

Надо отметить, что в то время резервуары, строящиеся в других странах, имели прямоугольную форму с плоскими стенками и, как следствие, значительно большую массу.

Масштабы применения листовых конструкций во всем мире очень велики. Монтаж их осуществляется в основном полистовым способом. В нашей стране в середине XX в. был предложен, разработан и внедрен новый высокопроизводительный метод возведения вертикальных цилиндрических резервуаров из полотнищ заводского изготовления, свернутых в габаритные рулоны и доставляемых на монтажную площадку. При этом основной объем сварочных работ выполняется и контролируется в заводских условиях.

Современные требования к листовым конструкциям - это их надежность и долговечность при минимальном расходе металла и совершенствовании методов изготовления и монтажа.

1. ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ, КЛАССИФИКАЦИЯ И НАЗНАЧЕНИЕ

Резервуарами называются сосуды, предназначенные для хранения нефти, нефтепродуктов, сжиженных газов, воды, жидкого аммиака, кислот, технического спирта и других жидкостей.

В зависимости от положения в пространстве и геометрической формы резервуары делятся на цилиндрические (вертикальные, горизонтальные), сферические, каплевидные, траншейные и др.

По расположению относительно планировочного уровня строительной площадки различают надземные (на опорах), наземные, полузаглубленные, подземные и подводные резервуары.

Резервуары могут быть постоянного и переменного объемов. Тип резервуара выбирают в зависимости от свойств хранимой жидкости, режима эксплуатации, климатических особенностей района строительства.

Широкое распространение имеют вертикальные и горизонтальные цилиндрические резервуары как наиболее простые при изготовлении и монтаже. Резервуары со стационарной крышей являются сосудами низкого давления, в которых хранятся нефтепродукты при малой их оборачиваемости. В этих резервуарах при наполнении жидкостью образуется избыточное давление в паровоздушной зоне (до 2 кПа), а при опорожнении -- вакуум (до 0,25 кПа).

Для хранения нефти и легкоиспаряющихся нефтепродуктов при большой оборачиваемости применяют резервуары с плавающей крышей и понтоном. В них практически отсутствуют избыточное давление н вакуум.

Резервуары повышенного давления (до 30 кПа) применяются для длительного хранения нефтепродуктов при их оборачиваемости не более 10--12 раз в год. резервуар давление прочность устойчивость

2. ВЕРТИКАЛЬНЫЕ ЦИЛИНДРИЧЕСКИЕ РЕЗЕРВУАРЫ НИЗКОГО ДАВЛЕНИЯ

Вертикальные цилиндрические резервуары имеют объемы от 100 до 120000 м³. Они состоят из цилиндрического корпуса, плоского днища и крыши. В зависимости от размеров резервуара и климатического района, определяющего величину снеговой нагрузки, крыши бывают стационарные и плавающие. Для сокращения потерь продуктов от испарения резервуар со стационарной крышей оборудуется понтоном.

При проектировании резервуара помимо его объема и типа конструкции крыши необходимо знать наименование хранимого продукта и имеющиеся в нем вредные примеси для обеспечения защитных мероприятий, его плотность, избыточное давление и вакуум, максимальную и минимальную температуру продукта, нагрузку от теплоизоляции, если она нужна, схему расположения и нагрузки от технологического оборудования, оборачиваемость продукта (изменение уровня налива продукта во времени), уровень подтоварной воды, скапливающейся внизу корпуса и имеющей повышенную степень агрессивности.

В зависимости от объема и места расположения резервуары подразделяются на три класса: класс I -- особо опасные объемом V > 10 000 м³, а также объемом V > 5000 м³, расположенные непосредственно по берегам рек, крупных водоемов и в черте городской застройки; класс II -- резервуары повышенной опасности V = 5000--10000 м³; класс III -- опасные резервуары V = 100 -- 5000 м³.

Степень опасности резервуаров учитывается при проектировании специальными требованиями к материалам, а также коэффициентом надежности по назначению: класс I -- г_n = 1,1; класс II -- г_n = 1,05; класс III -- г_n = 1,0.

Конструкции вертикальных цилиндрических резервуаров изготавливаются на заводах методом рулонирования полотнищ и методом полистовой сборки. Полотнища стенок, днищ резервуаров, понтонов и плавающих крыш собираются из отдельных листов с предварительно простроганными кромками, свариваются автоматической сваркой с двух сторон, контролируются и сворачиваются в рулоны на специальных установках для рулонирования. Ширина полотнищ стенки может быть не более 18 м с учетом максимально допустимой в настоящее время высоты резервуара исходя из условий пожаротушения, а ширина полотнищ днищ, понтонов и плавающих крыш -- до 12 м.

3. ВЕРТИКАЛЬНЫЕ ЦИЛИНДРИЧЕСКИЕ РЕЗЕРВУАРЫ ПОВЫШЕННОГО ДАВЛЕНИЯ

Резервуары повышенного давления применяются для хранения легкоиспаряющихся нефтепродуктов, например бензина, и рассчитываются на избыточное давление 10 - 70 кПа и вакуум 1,5 - 3 кПа.

Плоское днище и стенка выполняются так же, как для резервуаров низкого давления. Для обеспечения устойчивости при вакууме стенка усиливается кольцевыми ребрами жесткости из неравнополочных уголков.

Крыша резервуара выполняется в виде сфероцилиндрической оболочки. Она не имеет жесткого каркаса и состоит из центрального круга и цилиндрических секторных лепестков, имеющих кривизну только в меридиональном направлении и очерченных двумя сопряженными радиусами: в середине r_с = 2r по краям резервуара r'_с = 0.1r_c, создающими плавный переход к стенке, уменьшая возможность возникновения краевого эффекта, и приближающими многогранную поверхность крыши к поверхности вращения. Такое решение значительно проще и дешевле сферической крыши, требующей вальцовки в двух направлениях. Так как нижняя кромка крыши в плане образует многоугольник, то сопряжение ее со стенкой выполняется с помощью сварного тавра, служащего одновременно верхним кольцом жесткости.

При небольшом слое жидкости в резервуаре и внутреннем избыточном давлении края днища могут отрываться от песчаного основания. Чтобы этого не происходило, нижний пояс стенки у сопряжения с днищем прикрепляют анкерными болтами к железобетонному фундаменту, являющемуся вместе с уплотненным над ним грунтом противовесом. Анкерные болты располагаются по периметру стенки на расстоянии 1,5 -- 2,5 м один от другого и представляют собой стальные стержни диаметром не менее 30 мм.

К стенке они крепятся с помощью консольных столиков.

Усилия в анкерных болтах можно определить по формуле

N_а=(1,2Р_ирr²-0,9G)/п,

где Р_и -- нормативное избыточное давление; G -- масса кровли, стенки и части днища шириной полосы 0,5 --1,0 м; 0,9 -- коэффициент недогрузки; п -- число болтов по периметру резервуара.

По этому усилию определяется сечение болта и рассчитывается анкерный столик.

4. ГОРИЗОНТАЛЬНЫЕ ЦИЛИНДРИЧЕСКИЕ РЕЗЕРВУАРЫ

Горизонтальные цилиндрические резервуары рационально применять для хранения небольших объемов жидкостей при сравнительно высоких избыточных давлениях. Нефтепродукты хранят под давлением 40 -- 70 кПа, а сжиженные газы -- под давлением до 2000 кПа. В них возможен вакуум до 100 кПа.

Преимущества горизонтальных цилиндрических резервуаров перед другими типами резервуаров заключаются в возможности почти полного устранения потерь легкоиспаряющихся жидкостей при хранении под высоким внутренним давлением, а также в их поточном изготовлении на специализированных заводах, доставке в готовом виде на строительную площадку и быстроте монтажа. Резервуары обычно изготавливаются целиком или при больших объемах в виде двух отправочных элементов с одним монтажным стыком.

Объем резервуаров может достигать 300 м³ при условии, что размеры их не превосходят железнодорожные габариты: диаметр резервуаров не должен превышать 3,25 м, а длина отправочного элемента -- 15--18 м. Толщина стенки может быть от 5 до 36 мм. Горизонтальный резервуар состоит из цилиндрического корпуса и двух днищ.

Корпус резервуара выполняется из нескольких обечаек (колец), свальцованных из одного-двух листов шириной 1,5 --2,0 м и длиной 6 --8 м. Продольные и кольцевые соединения листов делают встык. При толщинах стенки до 12 мм корпус может быть изготовлен из рулонной заготовки с соединением листов в рулоне автоматической сваркой по длинной стороне листа встык или внахлест, а по короткой -- встык с выполнением продольного замыкающего шва внахлест со сплошными швами с обеих сторон.

Наземные резервуары опираются на две седловые или стоечные опоры, а заглубленные и подземные устанавливают на сплошное спрофилированное основание. Опоры могут быть металлические или железобетонные. В плоскости опор внутри резервуара устанавливаются опорные диафрагмы, каждая из которых состоит из кольца жесткости, усиленного треугольной стержневой системой из уголков.

Резервуар оборудуется наружной лестницей, люком-лазом и необходимой технологической аппаратурой, позволяющей наполнять и опорожнять его, а также поддерживать и контролировать расчетное давление.

Расчет резервуаров высокого давления (более 70 кПа) должен производиться по методике допускаемых напряжений. Однако нормы проектирования сооружений промышленных предприятий допускают вести все расчеты по методике предельных состояний. Получающаяся при этом разница в результатах расчета компенсируется введением коэффициента условий работы у_с.

В стенках корпусов горизонтальных цилиндрических резервуаров возникают растягивающие продольные и кольцевые напряжения, вызванные в основном внутренним избыточным давлением в газовом пространстве, гидростатическим давлением продукта и собственным весом. Определяющими являются кольцевые напряжения от внутреннего давления. Прочность стенки при двухосном напряженном состоянии с учетом кольцевых у₂ и продольных у₁ напряжений, возникающих от давления продукта на днище, а также от изгиба корпуса как двухопорной балки кольцевого сечения с консолями, проверяют по формуле

Толщину полусферических днищ назначают t_дн = 0,6t, эллипсоидальных -- t_дн = 1,2t, но в любом случае не менее 8 мм.

5. РАСЧЕТ СТЕНКИ РЕЗЕРВУАРА

Расчет стенки резервуара на прочность

Стенка вертикального цилиндрического резервуара рассчитывается на прочность как безмоментная цилиндрическая оболочка. При этом расчетное кольцевое усилие определяется от действия гидростатического давления хранимого жидкого продукта и избыточного давления газа в паровоздушном пространстве между свободной поверхностью жидкости и крышей резервуара.

Расчетное кольцевое растягивающее усилие, соответствующее высоте h,

N₂=(_f1жh+_f2p^изб)r,

где _f1 - коэффициент надежности по нагрузке для хранимой жидкости,

_f1 =1,1;

_f2 - коэффициент надежности по нагрузке для избыточного давления в паровоздушной среде, _f2=1,15.

Расчетная высота h принимается равной расстоянию от расчетного уровня налива жидкости до расчетного уровня рассматриваемого пояса; указанный уровень принимается на 30 см выше нижней кромки пояса, что учитывает разгружающее влияние напряжений краевого эффекта, возникающих в кольцевых (горизонтальных) стыках листов.

Требуемая толщина рассматриваемого пояса

где _с - коэффициент условий работы, принимаемый при расчете стенки на прочность равным 0,8 для всех поясов, кроме нижнего, для которого _с= 0,7.

Растягивающее напряжение в рассматриваемом поясе

где t _n - толщина пояса.

Масса всей стенки определяется по формуле:

,

где h _n - высота пояса; t _ni - принятая толщина i-го пояса;

- плотность стали, равная 7,8510^-3 кг/см ³;

r - радиус резервуара; n - число поясов.

Если масса стенки m_cm> 60т, то стенка разделяется на два или большее число рулонов так, чтобы масса одного рулона не превышала 60 т. Окончательно устанавливаются размеры рулонов (с учетом нахлестки краев) и их масса. Число рулонов следует принимать минимально возможным, поскольку операция замыкания вертикальных стыковых швов является весьма трудоемкой и ответственной.

Расчет стенки резервуара на устойчивость

Тонкая стенка резервуара может потерять устойчивость при действии сжимающих напряжений. Потеря устойчивости представляет опасность, в первую очередь, для верхних поясов стенки резервуара, где толщины листов, определенные из расчета стенки на прочность, являются небольшими.

В незаполненном цилиндрическом резервуаре могут возникать сжимающие усилия в двух направлениях: вертикальные (осевые) усилия и кольцевые усилия, развивающиеся при внешнем давлении, нормальном к поверхности стенки. Условие устойчивости стенки цилиндрического резервуара имеет вид:

,

где ₁ и ₂ - расчетные значения продольного и кольцевого сжимающих напряжений в стенке резервуара;

_cr1 и _cr2 - значения критических напряжений, соответствующие раздельному действию нагрузок осевого и радиального направлений;

_c - коэффициент условий работы, принимаемый при проверке устойчивости равным единице.

Проверка устойчивости стенки резервуара выполняется на действие двух комбинаций нагрузок, для каждой из которых вычисляются напряжения ₁ и ₂.

В комбинации 1 (с учетом действия ветра) вычисляются:

а) продольные сжимающие напряжения ₁, возникающие от собственного веса крыши, снега на крыше, вакуума, ветровой нагрузки, действующей на крышу (отсоса), от собственного веса вышерасположенной части стенки;

б) радиальные сжимающие напряжения ₂, возникающие при действии вакуума и ветровой нагрузки.

В комбинации 2 (без ветровой нагрузки) вычисляются:

а) продольные сжимающие напряжения, возникающие от собственного веса крыши, снега на крыше, вакуума и от собственного веса вышерасположенной части стенки;

б) радиальные сжимающие напряжения ₂, возникающие от действия вакуума.

После вычисления расчетных значений напряжений ₁,₂ и значений критических напряжений _{cr1, cr2} выполняется проверка условия устойчивости согласно п. 2.5.1 методических указаний (для двух комбинаций нагрузок).

Если условие устойчивости (п. 2.5.1) не выполняется, то необходимо либо увеличить толщину верхних поясов стенки, либо поставить кольцевые ребра (от одного до трех), повышающие значения критических напряжений. Кольца могут быть выполнены из уголков, швеллеров, листовой стали.

При наличии колец жесткости местная устойчивость стенки (согласно п. 2.5.1) проверяется на нескольких участках: в верхней зоне, между смежными кольцами, между кольцом и днищем. Сечение кольца назначается из условия обеспечения его устойчивости:

откуда находится требуемый момент инерции сечения кольца

где p₂ = (p_вак+ p_в) - нагрузка, вызывающая сжатие кольца;

b₁ - высота участка, с которого нагрузка p₂ передаётся на рассматриваемое кольцо.

Расчет сопряжения стенки резервуара с днищем

Днище резервуара имеет непрерывный контакт с основанием, поэтому напряжения от давления жидкости на днище незначительны. Исходя из этого, толщину листов днища назначают по конструктивным соображениям, руководствуясь условиями надежности сварных соединений и требованиями к выполнению монтажных работ.

Основная часть днища, как правило, состоит из двух или более рулонируемых полотнищ, максимальная ширина полотнища обычно не превышает 12 м.

Для днищ резервуаров объёмом до 1000 м³ (D 15 м) применяются листы размером 1400 4200 мм, толщиной 4 мм; для днищ резервуаров большего объёма используются листы размером 1500 6000 мм или 20008000 мм. В последнем случае толщина листов средней части днища принимается в зависимости от диаметра резервуара:

t = 5 мм при D =18…25 м;

t = 6 мм при D>25 м.

Крайние листы, располагаемые по периферии днища, называются окрайками. Они располагаются в зоне, где развивается краевой эффект, поэтому эти листы принимаются на 2 - 3 мм и большими, чем толщина листов средней части днища.

Для резервуаров объёмом более 5000 м³ окрайки выполняются в виде сегментов.

При t = 4 и 5 мм листы полотнищ соединяются между собой по продольным кромкам внахлестку с размером нахлестки 40…60мм; при t = 6мм листы по продольным кромкам соединяются стыковыми сварными швами. Сварные швы по коротким сторонам листов выполняются стыковыми.

Монтажные соединения полотнищ с окрайками выполняются внахлестку, а окрайки друг с другом соединяются встык на подкладках, что достигается фигурной вырезкой листов в монтажных стыках полотнищ. Окрайки выпускаются за корпус резервуара примерно на 50мм. Полотнища днища поставляются с завода-изготовителя на стройплощадку в виде рулонов, масса каждого рулона не более 60 т.

Сущность краевого эффекта

Явление краевого эффекта заключается в том, что в некоторых зонах тонкостенных листовых конструкций может развиваться моментное напряженное состояние вследствие ограничения свободных перемещений, обусловленных действием осевых усилий (в местах закреплений и пересечений оболочек, в зонах сосредоточенных нагрузок и т. п.). Изгибающие моменты краевого эффекта быстро убывают при удалении от мест закреплений, стесняющих деформации оболочки.

В большинстве практически важных случаев напряженное состояние тонкостенной листовой конструкции может быть представлено как сумма безмоментного напряженного состояния и моментного напряженного состояния краевого эффекта (принцип наложения напряженных состояний).

В зоне сопряжения стенки вертикального цилиндрического резервуара с его днищем из-за ограничения радиальных перемещений стенки возникают изгибающий момент и поперечная сила. Для расчета краевого эффекта из стенки и днища вырезаются полоски единичной ширины.

Считается, что полоски работают как балки на упругом основании, описываемом моделью Винклера. При этом для вертикальной полоски роль упругого основания выполняют кольцевые полоски, непрерывно расположенные по высоте стенки резервуара.

При известных решениях для изолированных (не связанных друг с другом) балок-полосок, лежащих на упругом основании, изгибающий момент и поперечная сила в узле сопряжения стенки с днищем могут быть определены методом сил.

Перемещения стенки _ip^cm от гидростатического давления жидкости находятся по формулам (избыточное давление в паровоздушной смеси с целью упрощения расчета не учитывается):

где _ж - удельный вес жидкого продукта (принимается согласно заданию);

_f - коэффициент надежности по нагрузке, _f = 1.1;

h - высота налива, которую можно считать равной высоте стенки резервуара;

k_cm - коэффициент постели стенки,

СПИСОК ИСПОЛЬЗУЕМОЙ ЛИТЕРАТУРЫ

1. Металлические конструкции: Учебник для студ. учреждений высш. проф. образования / под ред. Ю. И. Кудишина - М.: Издательский центр «Академия» , 2011.

2. Металлические конструкции: Учеб. для вузов по спец. "Пром. и гражд. стр-во"/ Беленя Е.И. - М.: Стройиздат, 1986.

Размещено на Allbest.ru