1. Исходные данные для проектирования 1 Климатические данные района строительства

• Название: 1. Исходные данные для проектирования 1 Климатические данные района строительства
• Дата: 25.03.2021
• Размер: 273.54 Kb.
• Имя файла: bestreferat-191379.docx
• Тип: Реферат; #188116
• страница: 2 из 16

часть
6.1 Исходные данные для расчета и конструирования
Большую часть сооружений, предназначенных для хранения газов и жидкостей (газгольдеры и резервуары), представляют собой оболочки вращения, т, е. пространственные формы, поверхность которых получена вращением какой-либо кривой (меридиана) вокруг неподвижной оси. Поскольку в этом классе конструкций толщина оболочки всегда намного меньше ее радиуса ( <0,2), то все они являются тонкостенными оболочками.

Нагрузки, действующие на резервуар

Основной эксплуатационной нагрузкой, действующей на стенку вертикального цилиндрического резервуара, является гидростатическое давление столба жидкости. Величина этого давления на любом уровне может быть определена по формуле

(x)=g(H–x),

где  – плотность нефти или нефтепродукта;

g – ускорение свободного падения;

Н – высота резервуара;

х – текущая координата с началом в месте сопряжения стенки с днищем.

Днище резервуара передает всю нагрузку от давления жидкости на основание, и поэтому его можно считать ограждающей частью конструкции, за исключением краевой зоны (окрайков). Последняя находится под действием изгибающего момента, возникающего в краевой зоне стенки.

При расчете плавучести плавающей крыши нагрузкой являются собственный ее вес, а также масса воды при возможном заливании поверхности крыши атмосферными осадками.

Величину каждого вида нагрузки для обеспечения безопасной работы конструкции при расчете берут со следующим коэффициентом перегрузки n:

Значения некоторых коэффициентов перегрузки

Давление:

гидростатическое n₁ = 1,1

Собственный вес:

конструкции n₃ = 1,1

оборудования n₄ = 1,1
6.2 Конструктивные и расчетные схемы. Применяемые методы расчета конструкций
6.3 Сбор нагрузок
Производим сбор нагрузок
1,7 кг/см² = 17000 кг/м² = 170 кн/м²

Q_кр = = 741 кг/м² = 7,41 кн/м²

Q_в.к. = = 80 кг/м² = 0,8 кн/м²
Собственный вес конструкций резервуара
Q_рез= Q_{в.к. +} Q_{обор +}Q_{путь л. +} Q_{к.л. +}Q_{п.к.л. +} Q_{пер.пл.к.л.} =

= 34337 + 6,975 + 1077 + 317839 + 1049 = 370514 кг
Равномерно-распределенная нагрузка на основание от веса конструкций резервуара, тс/м²:
Q = 864 кг/м² = 8,64 кн/м²Q₄

Производим подсчет по поясам
Q₁ = 93,66 + 58570 = 58664 кн; q = 136,78 кн/м²

Q₂ = 80,28 + 58570 = 58650,28 кн; q = 136,78 кн/м²

Q₃ = 66,90 + 58570 = 58636,90 кн; q = 136,75 кн/м²

Q₄ = 60,21 + 58570 = 58630,21 кн; q = 136,73 кн/м²

Q₅ = Q₄

Q₆ = 53,52 + 58570 = 58623,52кн; q = 136,72 кн/м²

Q₇ = 40,14 + 58570 = 58610,14 кн; q = 136,68 кн/м²

Q₈ = Q₇ + Q_кр + Q_{ветр.кольца} = 136,68 + 58570 = 58650,28 кн; q = 136,78 кн/м²=
Нагрузки на основание и фундамент резервуара

1 Максимальная равномерно-распределенная нагрузка по периметру стенки (собственный вес конструкций, снег), тс/м:

P∙l= 3,2

2 Равномерно-распределенная нагрузка на основание резервуара, тс/м²:

Q₁ = 17,1 (для гидроиспытаний)

Q₂ = 15,1 (для продукта).

3 Максимальная нагрузка от сейсмического давления по периметру стенки, тс/м:

Р₂ = 67,2

Р₃ = нет (для анкеров).

4 Нагрузка по периметру днища от веса рулона стенки, тс/м²:

N = нет

6.4 Определение усилий в элементах конструкций
6.4.1 Расчет стенки вертикального резервуара

Расчет конструкций резервуара и, в частности, определение толщины его стенки по поясам ведется по предельному состоянию. Поскольку стенка резервуара работает главным образом на растяжение, то расчет последнего по предельному состоянию сводится в основном к введению в расчетные формулы дифференцированных коэффициентов безопасности (коэффициентов запаса), т. е. коэффициента перегрузки n и коэффициента условий работы m. Введение этих коэффициентов (различных для разных элементов конструкции) позволяет увеличивать или уменьшать запас прочности того или иного элемента в зависимости от его назначения и вида действующей на него нагрузки. Это, в свою очередь, позволяет более рационально использовать материала и его несущую способность и, следовательно, более экономично его расходовать.

Напряжения в цилиндрической оболочке определяют по формуле
Σ = 
Толщина стенки
δ = р
Если использовать запись не в напряжениях, а в усилиях, то получим
N_p≤ N_пр, (1)
где N_p -расчетное усилие в оболочке,

N_{p =} р∙r
N_пр - предельное усилие в оболочке,
N_{пр =} δ∙σ
Расшифруем значения усилий: давление р складывается из гидростатического давления и избыточного давления в газовом пространстве резервуара. Таким образом, с учетом коэффициентов перегрузки
р = n₁g(H–x)+n₂p_изб,.
где p_изб — избыточное давление.
Расчетное усилие:
N_p =[n₁(H–x)+n₂p_изб]r,
где r- радиус резервуара.

Величина предельного (или предельно допустимого) усилия
N_пр=mR_i
где m - коэффициент условий работы (для стенки резервуара m = 0,8); R— расчетное сопротивление материала стенки; _i — толщина рассчитываемого пояса.

Подставив значение усилий в выражение (1), получим:
[n₁(H–x)+n₂p_изб]∙r ≤ mR_i
или
_i ≥ (2)
Значение х в формуле (2) обычно берут для первого пояса - 30 см, для остальных поясов - равным высоте всех поясов, предшествующих рассчитываемому (снизу).

Данные для расчета: H= 18000, d= 60700 мм, материал стенки 09Г2С, расчетное сопротивление стали R=290 МПа, коэффициент условий работы m = 0,8, стенка состоит из восьми поясов, высота пояса 2250 мм,  = 0,0009 кг/см³, _изб = 0.
Решение

Поскольку нижний край стенки упруго защемлен (сварен) с днищем, то для первого пояса x = 30 см, а не 0, как можно было предположить. Подставим данные для первого пояса в формулу (2). Величину g принимаем равной 10.
 = [1,1910²10(18,00–0,30)+1,2210³]30,35/0,829010⁶=0,0232 м или  = 2,32 см
Аналогично этому подсчитываем толщину остальных поясов. Результаты расчета стенки для всех поясов сведены в таблицу, в которой принимаемые величины толщин поясов получены округлением результатов расчета. Толщины поясов имеют завышенную величину для обеспечения запаса устойчивости.

Таблица 6.1 - Результаты расчета стенки резервуара по поясам

Пояса	Высота, мм	Толщина стенки, мм		Кольцевое усилие N1, H/см	Радиальное перемещение ∆r, мм
		расчетная	принятая
I	17700	23,2	28	14560	7,7
II	15750	20,7	24	16360	10,0
III	13500	17,8	20	15725	11,6
IV	11250	14,9	18	14473	11,8
V	9000	12,0	18	11547	9,5
VI	6750	9,1	16	8815,0	8,1
VII	4500	6,1	12	6108,3	7,5
VIII	2250	3,2	12	3982,6	4,9

6.4.2 Расчет нижнего узла резервуара объемом 50000 м³

Исходные данные: толщина первого пояса стенки =28 мм, толщина окрайков днища _окр=16 мм; масса стенки G_ст = 506,421 т; плотность нефтепродукта =910^-4кг/см³.
Решение

Нагрузка на единицу длину окружности стенки


Гидростатическое давление на днище


Основные характеристики стенки: цилиндрическая жесткость:

;
условный коэффициент постели

;
коэффициент деформации

Определение перемещения стенки:






Во всех результатах для последующего сокращения здесь выделено значение 10^-4.
Основные характеристики днища:

цилиндрическая жесткость

коэффициент постели основание может иметь значение 3-20кг/см³ (принимаем ).

Тогда коэффициент деформации

Расстояние от наружной поверхности стенки до края днища с = 67 мм.

Аргумент

По таблице функции находим:


Определяем перемещения днища:





Решаем канонические уравнения:

Отсюда М_о = 6,9 кНм/м; Q_о = -30,8 кН/м.

Напряжение в стенке

6.4.3 Расчет узла сопряжения стенки резервуара с днищем.

В узле сопряжения стенки резервуара с. днищем возникают изгибающий момент М_о и поперечная сила Q_o, которые распространяются вдоль образующей и относительно быстро затухают. Поскольку из-за небольшой жесткости днища соединение нельзя считать жестким защемлением, принято считать нижний край стенки упруго защемленным в днище. Следовательно, в заполненном резервуаре происходят деформации как стенки, так и днища, а так как сопряжение их неразъемно, то сумма деформаций стенки и днища в узле должна быть равна нулю. Для отыскания неизвестных М_о и Q_o принято использовать один из методов строительной механики решения статически неопределимых стержневых систем. В самом деле, мысленно вырезав полоску единичной ширины из стенки резервуара и днища, благодаря симметричности нагрузки можем считать их системой из двух соединенных стержней. Расчетная схема узла сопряжения приведена на рис.77.

Для определения неизвестных напишем канонические уравнения метода сил, представляющие собой по сути уравнения неразрывности деформаций в узле:
(3)
где —единичные перемещения от действия;

М_о = 1;

- единичные перемещения от действия Q_o = 1l;

- перемещения от действия внешней нагрузки.

Каждое перемещение слагается из перемещений стенки и перемещения днища, т. е.

Днище в горизонтальном направлении (в своей плоскости) обладает значительной жесткостью, т. е. практически нерастяжимо, в чем нетрудно убедиться на опыте (с любым эластичным материалом, стараясь растянуть его равномерно во все стороны). Поэтому часть перемещений - коэффициентов системы канонических уравнений пропадает:



Поэтому система (3) принимает вид:

(4)
В дальнейшем решении задача сводится к отысканию единичных перемещений, являющихся коэффициентами системы уравнений (4), и решению последней.

Определение перемещений стенки

Для определения перемещений стенки напишем решение левой части дифференциального уравнения (решение однородного уравнения):
.
Поскольку стенка резервуара находится под действием гидростатического давления, изменяющегося по закону треугольника, то естественно предположить, что на бесконечном удалении от днища перемещения стенки должны быть равны нулю. Второе слагаемое приводимого решения действительно при и стремится к нулю благодаря отрицательной степени при е. Первое же слагаемое может стать нулем только в том случае, если нулю равны произвольные постоянные C₁ и C₂. Таким образом, окончательно получаем:
.
или для простоты вычислений
(5)
Выразим неизвестные произвольные постоянные

С₃ С₄ через неизвестные, но вполне определенные М_о и Q_o (этот способ носит название метода начальных параметров). Для этого примем следующие граничные условия:

при х = 0


(6)
Взяв от выражения (5) вторую и третью производные (с помощью гиперболо-тригонометрических функций это сделать нетрудно) и подставив в них граничные условия (6), получим:

где k - величина, аналогичная коэффициенту постели в балках на упругого основании,


(7)
Уравнение углов поворота
(8)
Уравнение изгибающих моментов

(9)
Уравнение поперечных сил
(10)
После отыскания М₀ и Q₀ по этим уравнениям можно построить эпюры перемещения, моментов и поперечных сил.

Перейдем непосредственно к отысканию перемещений. По существующему в методе сил правилу знаков и являются главными перемещениями, и если их направление совпадает с направлением действия силы (момента), то они имеют знак «плюс». Поэтому в уравнении (7) знак «минус» можно опустить.

Для определения введем в уравнение (20) х = 0, Q_о = 0 и М₀ = 1, тогда получим:

или

так как
.
Подставив в уравнение (8) х = 0, М₀ = 0 и Q_o = l, получим:

.
Такой же результат можно получить из уравнения (7), подставив в него х = 0, Q_o = 0, M_o = 1 (по теореме о взаимности перемещений ).

Подставим в уравнение (7) х = 0, М_о = 0, Q_o = 1, получим:
.
Для определения грузовых членов и найдем частное решение для правой части уравнения
.
Тогда при х = 0

где Н—высота стенки резервуара.

Таким образом, определены все необходимые перемещения стенки.

6.4.3.1 Определение перемещений днища, лежащего на песчаной подушке. Для определения перемещений днища мысленно вырежем из него полоску единичной ширины в радиальном направлении. Будем рассматривать эту полоску как полубесконечную балку на упругом основании, нагруженную на расстоянии с от конца сосредоточенной силой (нагрузка от веса стенки и покрытия), сосредоточенным моментом М₀ и равномерно распределенной нагрузкой р, т. е. гидростатическим давлением (рис. 76). Чтобы решить эту задачу, необходимо отдельно для каждого вида нагрузки составить решение для полубесконечной балки и фиктивной бесконечной балки на упругом основании, наложив эти решения для точки А (на расстоянии с от места приложения нагрузки) друг на друга, получить уравнения прогибов, углов поворота, сечений, моментов и поперечных сил для рассматриваемой балки-полоски.

Перемещение балки-полоски днища от действия изгибающего момента М₀, передаваемого стенкой, будет:
(11)
где р—коэффициент деформации днища,

(k—коэффициент постели песчаного основания; k = 5?15 кг/см³);

D_дн - цилиндрическая жесткость днища

-толщина окрайков днища; - гиперболо-тригонометрические функции. Угол поворота сечения
(12)
Изгибающий момент
(13)
Единичное перемещение днища при х=0 (справа) получим» подставив М_о = 1 в уравнение (12):

Величина изгибающего момента:
справа



слева


Перемещения днища от действия внешней нагрузки складываются из двух перемещений:

где - перемещения от сосредоточенной силы q;

- перемещения от равномерно распределенной нагрузки р.

Перемещения от составляют
(14)

где G_ст и С_кр- массы соответственно стенки и крыши. Углы поворота сечений
(15)
Изгибающие моменты
(16)
Подставив x = 0 в уравнение (15), получим

Знак «минус» опускаем, так как направление перемещения (поворота) совпадает с направлением действия момента от силы q.

Перемещения от действия гидростатического давления P = p∙g∙H
(17)
Угол поворота сечений
(18)
Изгибающий момент в днище
(19)

Подставив x = 0 в уравнение (18), получим:

Знак «минус» в этом случае сохраняется, так как направление перемещения противоположно направлению действия нагрузки.

Подставив найденные значения перемещений в канонические уравнения (4), можно определить искомые величины М₀ и Q₀. Значение поперечной силы Q₀ обычно невелико (12—13% от абсолютной величины значения М₀), поэтому влиянием ее на напряженное состояние узла сопряжения стенки с днищем можно пренебречь.

Эпюры изменения изгибающего момента и поперечных сил в стенке резервуара представлены на рис. Следует отметить, что явление подобное краевому эффекту у днища, имеется в зоне каждого кольцевого шва, соединяющего пояса резервуара. Однако благодаря незначительному различию толщины поясов и малой ширине самого шва влиянием этого явления можно пренебречь. Дополнительные напряжения в этих случаях по величине не превышают 5—7% значений кольцевого напряжения.

Для построения эпюр перемещений и изгибающих моментов, в стенке применяются уравнения (7), (8) и (9).

6.4.3.2 Расчет узла сопряжения при опирании резервуара на бетонное кольцо. Методика расчета узла сопряжения стенки с днищем при опирании резервуара на бетонное кольцо аналогична расчету узла резервуара, стоящего на песчаной подушке. Исключение в этом случае составляет порядок определения перемещений днища. Поскольку толщина бетонного кольца в 20—25 раз больше толщины окраек днища, трудно было бы ожидать, что кольцо будет работать, как упругое основание. Несмотря на то что модуль упругости (условный) бетона на целый порядок ниже модуля упругости стали, все же жесткость кольца больше жесткости окрайков. Осадку основания под кольцом можно не учитывать, так как после испытаний и первых заполнений его положение стабилизируется.

В расчетной схеме разбиваем (мысленно) днище на систему радиальных балок - полосок единичной ширины, но в отличие от предыдущего случая считаем каждую балку-полоску как балку на двух опорах (рис. 78,а), учитывая возможный отрыв участка днища от кольца. Балка находится под действием момента М_о, передаваемого от стенки и равномерно распределенного давления р (рис. 78,6). Нагрузку от веса стенки и покрытия здесь не учитываем, так как она вызывает только появление дополнительной реакции кольца, не влияющей на изгиб днища. Задача расчета балки по принятой схеме является нелинейной, потому что неизвестна величина пролета l (длина участка отрыва днища от кольца). Длина зависит от величины прилагаемых нагрузок. Так, с увеличением р длина l уменьшается, а с увеличением М_о возрастает. Для определения значения длины балки l введено дополнительное условие: положим, что на левом конце (см. рис. 78, б) опора В расположена там, где днище снова плотно прилегает к бетонному кольцу. Таким образом, можно считать, что на опоре В угол поворота сечения равен нулю.

Углы поворота сечений (угловые перемещения) на опорах можно определить любым способом по сопротивлению материалов (графоаналитический метод, способ Верещагина и др.).

Угол поворота сечения:
на опоре A (20)

на опоре В (21)
где D_дн - цилиндрическая жесткость окрайков при изгибе.

По принятому ранее условию для опоры В Ф_в = 0.

Тогда из уравнения (21), приравнивая его 0, получим:

Подставив это значение l в уравнение (20), получим:

Так как направление перемещения совпадает с направлением момента М_о, знак «минус» опускаем. Окончательно имеем:
(22)
Из уравнения (22) следует, что из-за нелинейности задачи определить отдельно перемещения и невозможно.

Подставив значение (22) в систему канонических уравнений (4) и решив их в общем виде, получим окончательное уравнение:
(23)
где
;

;



Уравнение (23) можно решить методом подбора значения М_о с помощью таблиц квадратов и кубов чисел или на ЭВМ. В обоих случаях полезно знать пределы изменения М_о. Нижнее значение определяется как М₀ = 0 (шарнирное закрепление), а верхнее значение - из условия абсолютного жесткого защемления:
.