Исследование оснований резервуаров с использованием несущей способности днища

Размещено на http://www.allbest.ru/

ИССЛЕДОВАНИЕ ОСНОВАНИЙ РЕЗЕРВУАРОВ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ НЕСУЩЕЙ СПОСОБНОСТИ ДНИЩА

Барская Г.Б.

Удорожание строительства резервуаров происходит вследствие низких температур, заболоченности территорий, отсутствии местных строительных материалов, применения в большом объеме нетиповых проектных решений, выполнении специальных научно-исследовательских и опытно-экспериментальных работ и разработке новых конструктивных решений.

Осадка резервуаров происходит в основном из-за недостаточной несущей способности грунтов основания. Проблему может решить снижение вертикального давления от веса резервуара. Для выполнения поставленной задачи необходимо разработать конструкцию основания, которая преобразует вертикальное давление на нормальное и касательное, которое в свою очередь позволит уменьшить вертикальные нагрузки на основание благодаря увеличению силы трения и сцепления, направленные вдоль наклонной боковой грани трапециидального ленточного фундамента не допускающих горизонтального перемещения грунта, находящегося под днищем резервуара.

Предлагаемое конструктивное решения (рис. 1) заключаются в том, что резервуары строятся на основаниях, уплотненных трапециидальными лентами с использованием несущей способности днища и ограничением бокового перемещения грунта [1].

Известно, что применение трапециидальных свай дает возможность разложить вертикальную нагрузку на нормальную и касательную и тем самым уменьшить вертикальную составляющую нагрузку на основание резервуара.

Для резервуарных парков выбирают площадки с наиболее благоприятными для Западной Сибири геологическими условиями. Однако по нормам СниПа даже эти площадки являются непригодными для строительства резервуаров большой емкости. Предлагаемые конструкции основания выполняются следующим образом: убирается растительный слой, после чего производится отсыпка основания песчаными грунтами с уплотнениями. В основании выполняются трапециидальные траншеи. Для их образования предлагается использовать двухдисковые катки, аналогичные каткам, применяемым в дорожном строительстве. Катки используются для увеличения несущей способности фундамента и выполнены не клиновидной, а трапециидальной формы.

Рис. 1 - Основание резервуара с днищем на выштампованных трапециидальных фундаментах: 1 - стенка, 2 - днище, 3 - окраек, 4 - ростверк, 5 - гидрофобный слой, 6 - свая, 7 - песчаная подушка, 8 - ленточный трапециидальный фундамент

резервуар грунт осадок основание

Катки выполняются диаметром до двух метров, в этом случае глубина фундамента (траншеи) составит 0, 8-0, 9 м. Для увеличения глубины фундамента применяется однодисковый каток. Каток опускают в траншею, выполненную двухдисковым катком. Однодисковые катки имеют угол наклона боковых сторон на 4-5 градуса больше, чем двухдисковые, что увеличивает усилие на наклонные стенки траншеи и ведет к повышению несущей способности основания. Кроме того, увеличиваются горизонтальные усилия при передаче нагрузки от заполненного резервуара, а следовательно уменьшается вертикальная нагрузка на основание.

После образования траншеи производится их заполнение гравием, щебнем или крупнозернистым песком. В процессе отсыпки траншей производят уплотнение. Уплотнять заполнитель можно катками, применяемыми для образования траншей.

В применяемых конструкциях фундаментов резервуаров, днище используется как ограждающий нерасчетный элемент. Изучена возможность создания металлического днища резервуара, совмещающего свойства несущей и ограждающей конструкции.

Развитие уточненных методов расчета упругого и упругопластичного равновесия пластинок конечной жесткости по деформированной схеме позволяет обратиться к конструкции плоского (в недеформированном состоянии) металлического днища резервуара, опирающегося на ленточные трапециидальные фундаменты.

Переходя от предложенной конструкции днища к расчетной схеме (рис. 2, а), можно считать металлический плоский настил прямоугольной пластиной, одна сторона которой защемлена в местах опирания на фундамент (за исключением участков днища, примыкающих к стенке резервуара) и имеет значительно большую длину, чем другая сторона, длина которой равна расстоянию между трапециидальными фундаментами. Естественно, что при исследовании равновесия такого днища представляется возможным пренебречь изгибом в направлении длинной стороны и свести задачу к случаю цилиндрического изгиба, при котором условия работы каждой из полосок, вырезанных в направлении короткой стороны, одинаковы.

Рис. 2 - Расчетная схема днища: а - с защемленными кромками; б - с шарнирно-закрепленными кромками

Под влиянием полезной нагрузки (вес нефтепродуктов) полоска испытывает деформацию изгиба, и её опорные кромки стремятся сблизиться. Этому сближению препятствуют соседние аналогично загруженные пролеты днища или, на периферийных участках, корпус резервуара. В опорных сечениях днища развиваются реактивные продольные усилия, растягивающие днище и уменьшающие его изгиб (расчет по деформированной схеме).

Характер работы днища зависит от соотношения между растягивающим и так называемыми цепными напряжениями и напряжениями изгиба. Если влияние цепных напряжений незначительно, то условия работы днища приближаются к условиям обычного изгиба балки. Если же цепные напряжения по величине значительно превосходят напряжения изгиба, то условия работы днища становятся близкими к условиям работы абсолютно гибкой мембраны.

Задачи об упругом равновесии указанных пластин рассмотрены в упруго-пластической стадии и весьма убедительно доказывается недостаточность расчета пластин с защемленными кромками с учетом только упругой стадии работы материала. Инженерная практика и данные экспериментов свидетельствуют, что достижение фибровой текучести в опорном сечении не означает исчерпание несущей способности пластин с защемленными кромками. Пластины в состоянии воспринять нагрузку, в несколько раз превышающую ту, при которой в опорном сечении обнаруживаются первые признаки текучести.

Допустив образование пластических шарниров в защемленных опорных сечениях днища, можно перейти к расчетной схеме днища с шарнирно-неподвижными кромками (рис. 2, б) и использовать простое решение Тимошенко-Бубнова для упругой стадии работы материала [2 С.164]. В этом случае при расчете днища сравниваются фибровые напряжения у в середине пролета днища с расчетным сопротивлением стали R, при достижении которого, образование пластичных шарниров в опорных сечениях днища завершается.

Распор N находится из условия, что удлинение полоски вырезанной из пластины от распорной растягивающей силы равняется разности длин изогнутой и прямой полоски

(1)

С другой стороны из упругой работы днища можно получить соотношение:

(2)

Приняв изогнутую ось в виде синусоиды:

Получим

При совместном действии растягивающей силы и изгибающего момента максимальный прогиб f с достаточной точностью равен

где f₀ - прогиб в середине пролета только от поперечной силы

где Mд - балочный момент от поперечных нагрузок

где б - коэффициент влияния продольной силы

N_э - Эйлерова критическая характеристика, учитывающая осевое воздействие на систему

D - цилиндрическая изгибающая жесткость пластины

Получаем распор в функции коэффициента

Максимальный изгибающий момент зависит от коэффициента

Коэффициент влияния продольной силы определяем, приравнивая правые части формулы (1) и (2) и вводя значения

В результате получаем кубическое уравнение которое легко решить приближенными методами (например методом хорд и касательных)

Напряжение от растяжения и изгиба находится

При проектировании днища для определения коэффициента б и цилиндрической жесткости следует задаваться толщиной листа и расстоянием между ростверками.

По результатам вычислений (рис. 3) построены зависимости от , цепных напряжений у_N (кривая 1), напряжений изгиба днища у_M (кривая 4), суммарные напряжения у (кривая 3), а также отношения наибольшего прогиба к величине пролета (кривая 2).

Рис. 3 - Зависимость цепных напряжений, суммарных напряжений, напряжений изгиба и отношение наибольшего прогиба к величине пролета

Анализ графиков позволяет сделать вывод, что при увеличении отношения до 350-550 работа днища приближается к работе абсолютно гибкой мембраны, работающей только на растяжение. Этому диапазону соответствуют суммарные напряжения. Восприятие их можно обеспечить днищем из сталей повышенной и высокой прочности класса С52/40, С60/45, С70/60, С85/75. За счет их использования достигается значительная экономия материалов. Днище остается плоским в недеформированном состоянии, что позволяет применить метод рулонирования при монтаже. Толщина днища, например, из стали марки 6Г2АФ составляет 8-14 мм при пролетах 2, 8-7, 7 м.

В таблице 1 приводятся данные для сравнения расхода основных строительных материалов на 1 м² основания резервуара, выполненного в двух вариантах.

Емкость резервуара 20 тыс.м³, несущая способность сваи 50 тс, нагрузка на днище резервуара 0, 125 МПа. Расчетный пролет днища между ростверками 2 м, толщина листа днища 6 мм, сталь марки 14Г2АФ. Ростверк из железобетонных плит размером 2, 0Ч2, 0 м при толщине 20 см, бетон М-300, арматура класса А-III, армирование 0, 62%.

Таблица 1 - Расход основных строительных материалов на 1 м² основания резервуара, выполненного в двух вариантах

Предлагаемая конструкция основания вертикального стального резервуара, является экономичной как с точки зрения использования материала, так и по трудовым затратам, что весьма важно при строительстве в районах со сложными инженерно-геологическими и климатическими условиями.

Список литературы

1. Основание стального вертикального резервуара: пат. 2187599 Рос. Федерация: МПК 7 E02D027/38 / В.Н. Антипьев, Г.Б. Барская, Л.С. Иванова; заявитель и патентообладатель Тюменский государственный нефтегазовый университет. - № 2000131842/03; заявл 18.12.2000; опубл. 20.08.2002, Бюл. № 23. - 3 с.

2. Петров В.В. Методы расчета конструкций из нелинейно-деформируемого материала / В.В. Петров, И.В. Кривошеин. - М.: Издательство АСУ. 2009. - С. 208.

Размещено на Allbest.ru