Содержание к диссертации
ВВЕДЕНИЕ 5
1. ОБЗОР ЛИТЕРАТУРЫ 12
/./. Сейсмические нагрузки на фундамент и основание 12
) 1.2. Методы расчета оснований и фундаментов 20
Метод послойного суммирования 21
Расчет численными методами 25
Модели упругого основания 28
Динамические модели грунтов 33
Применяемые фундаменты. 3 7
На естественном основании 37
В сложных геологических условиях 38
Подготовка искусственных оснований 40
Анализ патентных решений 43
1.5. Экспериментальные исследования 49
Вибрационные эксперименты 50
Импульсное (ударное) нагружение 52
Эксперименты, выполненные за рубежом 53
1.6. Выводы 55
2. МЕТОДИКА ЧИСЛЕННОГО МОДЕЛИРОВАНИЯ 57
2.1. Моделирование основания и фундамента 58
2.1.1. Выбор модели грунта 58
Оценка применимости упругой модели; 62
Выбор модели материала фундамента 68
Обоснование оптимальных размеров расчетной области 69
2.2. Учет цикличности воздействия нагрузки 71
2.2.1. Методика испытаний 71
Моделирование сейсмического воздействия 75
Расчетная модель резервуара с жидкостью 79
Модель вязкой жидкости 79
Моделирование свободной поверхности жидкости 81
Учет контактного взаимодействия жидкости и конструкции .. 82
Моделирование понтона 84
2.5. Поверка численной модели 84
Поверка модели резервуара с жидкостью 85
Определение сходимости расчета 86
Сравнение с результатами натурных наблюдений 88
2.6. Выводы 92
АНАЛИЗ ОСОБЕННОСТЕЙ СЕЙСМИЧЕСКОГО ВОЗДЕЙСТВИЯ 93
Обоснование основных параметров модели 93
Влияние высоты налива продукта 95
Высота волны и гидродинамическое давление 96
Частота (и форма) собственных колебаний 101
3.3. Влияние понтона 105
Изменение высоты волны 106
Собственные частоты и формы колебаний 107
3.4. Влияние сжимаемости основания 108
Напряженное состояние 109
Осадки, крены и высота волны 113
Собственные частоты и формы колебаний 117
3.5. Влияние типа фундамента на НДС основания 117
НДС снования 120
Осадки, крены и высота волны 122
3.6. Выводы 123
4. МЕТОДИКА ОПРЕДЕЛЕНИЯ СЕЙСМИЧЕСКОЙ НАГРУЗКИ 125
Выбор типа фундамента. 125
Определение сейсмической нагрузки 126
Практическая реализация 129
Фундамент РВС 20 000м3 на ПНБ «Кавказская» 129
Фундамент РВСп 30 000м3 на ПНБ «Заречье» 135
5. ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ 144
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ 146
Введение к работе
Актуальность темы. Число строящихся терминалов для хранения и транспортировки нефтепродуктов в последние годы увеличилось скачкообразно. С другой стороны, в связи с введением ОСР-97 значительная часть территории страны попала в сейсмически опасную категорию. В том числе, в Краснодарском крае ряд нефтебаз возводят на площадках различной сейсмичности, сложенных сжимаемыми грунтами. Большинство из возводимых резервуаров имеют значительный рабочий объем - от 20 000м3 до 100 000м3. В связи с этим проблема эксплуатационной надежности оснований и фундаментов резервуаров при сейсмических воздействиях имеет высокую актуальность.
Движение вязкой жидкости в баках при землетрясениях создает внецентренные сжимающие и сдвигающие усилия на фундаменты и основания, имеющие импульсный гидродинамический характер, что может привести к нарушению эксплуатационной надежности и разрушению резервуаров.
В результате обобщения данных о последствиях землетрясений на резервуары, можно сделать вывод о том, что основными причинами их аварий при сейсмических воздействиях являются:
потеря устойчивости основания и разрыв днища резервуара (рост порового давления, «разжижение» грунта, уплотнение из-за девиаторной нагрузки и т.д.);
пластические деформации оболочки резервуара в нижней части (так называемая «слоновая ступня») от действия гидродинамической нагрузки;
продольный изгиб и разрушение верха стенки, уплотнительного пазуха и крыши резервуара от гидродинамического удара волны жидкости;
отрыв подводящих патрубков при сейсмических подвижках
основания. Площадки резервуаров нередко сложены грунтами, (водонасыщенные пески, супеси и т. д.) которые способны проявлять тиксотропные свойства при динамических воздействиях. Прежде всего, такие грунтовые условия встречаются в поймах рек, старых руслах водоемов, искусственных намывных основаниях, около портовых территориях. Ниже, на (Рисунок 1) представлен пример сейсмического уплотнения основания резервуара (Япония, Кобе) в результате перехода грунта в квазижидкое состояние (тиксотропное разжижение).
Рисунок 1. Потеря устойчивости основания от «разжижения» грунта
Наиболее часто, потеря несущей способности оснований резервуаров вызывается резким ростом порового давления и (или) девиаторной нагрузкой при прохождении сейсмической волны. Это особенно ярко проявляется на площадках сложенных связными водонасыщенными грунтами с низким коэффициентом фильтрации (суглики и глины различной консистенции). В Краснодарском крае случай частичной потери несущей способности основания от высокого порового давления в «слабом» водонасыщенном основании резервуарного парка
ОАО НК "Роснефть-Туапсенефтепродукт" был зафиксирован от статической эксплуатационной нагрузки. Резервуарный парк располагается в пойме реки Туапсинки.
Моментальное увеличение порового давления в водонасыщенном основании вызывает снижение эффективных напряжений в скелете грунта что, как следствие, приводит к резкому падению (зачастую до нуля) величины угла внутреннего трения. Последующее значительное снижение сопротивления грунта сдвиговым деформациям на фоне скачка сейсмических касательных (девиаторных) напряжений вызывает аварийную временную потерю устойчивости «слабых» оснований и существенные остаточные деформации под фундаментами резервуаров.
Традиционно основное внимание при разработке сейсмически надежных резервуаров уделяется металлическим конструкциям баков, устройству плавающих крыш и гасителей колебаний жидкости (понтоны), анкеровке емкостей к фундаменту, в то время как вопрос обеспечения устойчивости оснований и фундаментов освещен недостаточно.
Цель исследования заключается в разработке методики определения расчетных нагрузок на фундаменты крупных стальных цилиндрических вертикальных резервуаров (РВС) от сейсмического воздействия и обосновании рекомендаций по выбору типа фундамента для сейсмически опасных районов.
Для достижения поставленной цели в работе решались следующие основные задачи:
анализ существующих методик расчета;
разработка и обоснование численной модели системы «гибкий резервуар - вязкая жидкость - фундамент - грунтовое основание»;
оценка влияния различных факторов на напряженно -деформированное состояние (НДС) грунтов основания крупных резервуаров;
разработка рекомендаций по расчету сейсмических нагрузок;
разработка эффективных конструкций искусственных оснований и фундаментов для резервуаров в сейсмически опасных районах.
Методы исследования. Поставленные задачи решались методом конечных элементов (МКЭ) с учетом «импульсного» временного характера действия гидродинамической нагрузки от хранимой жидкости. Для расчетов использовались детальные пространственные модели системы «гибкий резервуар - вязкая жидкость - фундамент - грунтовое основание». Сейсмическое воздействие моделировалось в явном виде путем интегрирования уравнений движения системы по времени методом Ньюмарка (прямой динамический расчет).
Научная новизна работы заключается в:
разработке и обоснование МКЭ модели системы «гибкий резервуар - вязкая жидкость - фундамент - грунтовое основание»;
оценке влияния различных факторов на НДС основания:
высота взлива;
наличие понтона;
граничные условия;
сжимаемость основания;
тип фундамента;
- разработке рекомендаций по расчету воздействий сейсмических
нагрузок.
Достоверность результатов диссертационной работы подтверждается выполненными поверками расчетной модели путем
сопоставления результатов численного, компьютерного моделирования с аналитическими и экспериментальными данными.
Для численного моделирования применялся надежный и апробированный конечно - элементный программный комплекс ANSYS 9.0А1 (С 10.09.02г. программа ANSYS бессрочно аттестована Госатомнадзором России. Регистрационный номер ПС в ЦОЭП при РНЦ КИ-490).
Объектами исследования являются основания и фундаменты крупных вертикальных стальных резервуаров, расположенные в сейсмически опасных районах.
Практическое значение выполненных исследований заключается в:
усовершенствовании методики определения расчетных нагрузок на фундаменты крупных РВС от сейсмического воздействия;
разработке рекомендаций по выбору типа фундамента для различных геологических условий площадки и интенсивности сейсмического воздействия;
разработке и внедрении эффективных конструкций фундаментов крупных резервуаров для сейсмических районов.
На защиту выносится такие основные позиции как:
методика численного моделирования системы «гибкий резервуар - вязкая жидкость - фундамент - основание»;
результаты численного моделирования;
рекомендации по определению величины расчетной сейсмической нагрузки;
рекомендации по выбору типа фундаментов РВС для сейсмически опасных районов.
» 10
Внедрение результатов. Результаты исследования нашли применение при проектировании оснований и фундаментов крупных резервуаров в различных частях Краснодарского края:
- расширение резервуарного парка на ЛПДС «Крымская» на 200
тыс. м3;
> - разработка технического решения конструкции фундаментов
резервуарного парка ЗАО КНПЗ «Краснодарэконефть»;
три резервуара объемом по 20 000м на ПНБ «Кавказская»;
математическое моделирование и разработка конструкций фундамента РВС 30 000м3 на ПНБ «Заречье»;
математическое моделирование и разработка конструкции фундамента РВС 50 000м на месте демонтируемых ЖБР 10 000м3 ПНБ «Тихорецкая».
I Апробация работы. Основные положения диссертационной работы
докладывались и получили одобрение на научно-технических конференциях: инженерно-строительного факультета Кубанского ГАУ (Краснодар, 2001-2004), региональных (Краснодар, 2003-2005), а также на ряде семинаров кафедры оснований и фундаментов Кубанского ГАУ.
Публикации. По результатам диссертационных исследований опубликовано 5 печатных работ, подано 2 заявки на изобретения, получено 2 положительных решения о выдаче патента.
Структура работы, фактический материал и вклад автора.
Диссертация изложена на 112 страницах текста и состоит из
введения, 4 глав, выводов и списка литературы из 105 источников. Текст
сопровождается 14 таблицами и 68 рисунками.
» Теоретическая и экспериментальная часть исследований выполнена
на кафедре оснований и фундаментов Кубанского государственного аграрного университета под руководством Заслуженного строителя
Кубани, кандидата технических наук, доцента, члена РОМГГиФ Ещенко Олега Юрьевича, которому автор выражает благодарность за большую помощь, время и труд, потраченные на каждом этапе создания этой работы.
Автор выражает глубокую признательность доктору геолого-минералогических наук, академику МАНВШ, Заслуженному строителю РФ, председателю регионального отделения РОМГГиФ Константину Шагеновичу Шадунцу и лауреату премии правительства Кубани, кандидату технических наук, доценту, члену РОМГГиФ Мацию Сергею Иосифовичу за внимание и помощь в проведении исследований и подготовке диссертации.
