Содержание к диссертации
Введение
1- Анализ существующих крыш резервуаров для хранения нефти и нефтепродуктов . 7
1.1. Типовые конструкции крыш резервуаров. 7
1.2. Анализ исследований НДС сетчатых покрытий сооружений 20
1.3- Структурные конструкции и системы соединений 22
Цель и задачи исследования 50
2. Разработка методики расчета структурных купольных крыш для резервуаров 52
2.1 - Расчет параметров купольной крыши для резервуара 52
2.2 Воздействия нагрузки на крышу резервуара 53
2.3 - Стратегии проектирования 64
2.4- Методика анализа результатов расчёта. 66
Выбор узла и расчет диаметра болтов 76
Выводы по главе 77
Состояния структурной модели 78
3.1 - План эксперимента 80
3.2.- Описание эксперимента. 95
3.3 - Обсуждение результатов . 103
Выводы по главе 104
4- Оптимизация конструкции структурной крыши 106
4.1- Выбор решетки и элемента топологии. 108
4.2- Обсуждения 117
4.3- Спецификация крыши 120
4.4- Проектирование узла 121
Выводы по главе 128
ВЫВОДЫ 130
Библиографический список: 130
- Анализ исследований НДС сетчатых покрытий сооружений
- Стратегии проектирования
- Обсуждение результатов
- Спецификация крыши
Анализ исследований НДС сетчатых покрытий сооружений
Каркасные купольные крыши могут изготавливаться в виде щитов, состоящих из соединенных между собой элементов каркаса и настила или раздельно из элементов каркаса и настила, не приваренного к каркасу. В последнем случае настил может выполняться из отдельных листов или крупногабаритных карт, а каркас должен иметь не менее четырех связевых блоков, расположенных в плане ортогонально. Опирание крыши на стенку резервуара рекомендуется выполнять с устройством опорного кольца по рисунок 1.8 (г).
Конические и сферические каркасные крыши обычно состоят из сборных секторных щитов заводского изготовления. Щиты состоят из радиальных и поперечных ребер (прокатные или гнутые профили) и обшивки из стальных листов. Количество щитов принимается из условия габаритности при перевозках (ширина щита должна быть в пределах 3,2 – 3,85 м). Расстояние между поперечными (кольцевыми) балками назначается кратным 100 мм (в дальнейшем уточняется расчетом); длиной участка, примыкающего к опорному кольцу, обычно компенсируются возможные невязки. Монтаж каркасных конических и сферических крыш производится с временной центральной стойкой. На ней устанавливается центральное кольцо, к которому крепятся все щиты кровли. Щиты между собой свариваются внахлест. Диаметр верхнего опорного кольца – 1500-2500 мм. Сферические крыши конструируют в виде ребристо-кольцевых куполов для резервуаров объемом 6000 м3 и более, и сетчатыми при объемах 10000 м3 и более. Допускается применение стационарных крыш из алюминиевых сплавов (приложение Б [31]). В случае если купольные алюминиевые крыши поставляются на российский рынок зарубежными фирмами, необходимо в соответствии с российскими нормами выполнять поверочные расчеты таких крыш.
Резервуар с плавающей крышей представляет собой вертикальный стальной резервуар, внутри которого на поверхности нефти или нефтепродукта находится плавающая крыша. Резервуары с плавающими крышами решают проблему значительных потерь, возникающих в результате испарения при хранении нефти и нефтепродуктов. Ущерб для экологии и для нефтедобывающих предприятий оценивается более чем в несколько сотен миллионов рублей ежегодно. Плавающие крыши для РВС позволяют сократить потери от испарения нефти и добиться повышения пожарной и экологической безопасности при эксплуатации нефтяных резервуаров, однако, их эффективность во многом определяется качеством уплотняющего кольцевого затвора, используемого для герметизации зазора по окружности между стенкой резервуара и плавающей крышей, поскольку во избежание заклинивания крыши при нарушении геометрической формы резервуара диаметр крыши и резервуара имеют расхождения в 20-70 см [32]. Значения предельных отклонений для многих элементов плавающих крыш определены на основе практического опыта и интуиции[33]. К конструкциям с понтоном предъявляются более строгие требования относительно геометрии[34].
Плавающие крыши за более чем семидесятилетнюю историю своего существования претерпели множество изменений, от металлических уплотняющих затворов с рычажной системой фиксации до затворов из современных рациональных материалов (волокно, смолы, синтетический каучук), которые существенно снижают утечку нефтяного сырья в процессе хранения. Постоянно разрабатываются и внедряются новые конструкции, снижающие уровень утечки нефтепродукта и повышающие устойчивость и отстойчивость конструкции плавающих крыш.
Среди новейших разработок в сфере конструирования плавающих крыш можно отметить прижимной механизм уплотняющего затвора, обеспечивающий равномерное прижатие скользящего листа к стенке резервуара за счёт наличия прижимных роликов, которые шарнирно соединены с периферийной частью крыши с помощью рычагов. Под действием собственной массы и пружин сжатия, они обеспечивают равномерное и плотное прижатие. Также разработано прижимное устройство, в конструкции которого предусмотерны ножки, концы которых снабжены роликами качения, и спираль, наличие которой в середине пружины обеспечивает равномерное усилие прижатия ножек к стенке резервуара. При увеличении зазора между плавающей крышей и стенкой резервуара ножки прижимной пружины сближаются, и при сокращении зазора удаляются, обеспечивая постоянное равномерное прижатие скользящего листа к стенке резервуара.
Однако, несмотря на многочисленные усовершенствования, при эксплуатации плавающих крыш в северных районах в зимнее время года возникает ряд сложностей, обусловленных неравномерными скоплениями большого количества снега и льда на поверхности крыш. В настоящее время, несмотря на постоянную оптимизацию конструкций резервуаров, имеют место огромные потери нефтепродуктов от испарения, достигающие около одного миллиона тонн в год [35, 36].
По нормативным документам допустимая высота снегового покрова при эксплуатации резервуаров варьируется в зависимости от снеговых районов Российской Федерации и степени равномерности распределения снеговой нагрузки. Нормативные документы ГОСТ 31385-2008 [37], РД-23.020.00-КТН-079-09 [38]. СТО-СА-03-002-2009 [39] приводят методики расчетов допустимой высоты снежного покрова, однако в них не учитывается возможный угол крена крыши при неравномерной нагрузке, и отсутствует возможность проверки на предмет заклинивания, что, несомненно, является значительным недостатком для северных регионов, где общее годовое количество осадков в среднем выводе составляет около 450 мм.
Стратегии проектирования
Система POWER-STRUT Французская узловая система TRIDI 2000 (рисунок1.30) отличается своей экономичностью, благодаря простоте устройства узла, который состоит из набора пластин, сваренных между собой. К пластинчатым фасонкам могут присоединяться болтами различные элементы. [57]
Система TRIDI 2000 В отдельную группу узловых систем можно выделить сборно-разборные соединения без использования дополнительного коннектора. Подобные соединения реализуются за счет определенной обработки концов стержневых элементов, которая заключается в сплющивании, создании изгиба, приваривании дополнительных фиксирующих деталей. Стержневые элементы соединяются между собой при помощи одного или нескольких болтов. Примером такого соединения является французская система SARTON, представляющая собой простой узел для структурных решеток либо малопролетных однослойных решетчатых покрытий (рисунок1.31). В данном случае трубы сплющены и соединяются с узловым элементом одним болтом. Данная конструкция пригодна для средней нагрузки.
Система SARTON Итальянская система PREMIT (рисунок1.32) также используется в строительстве сборных промышленных зданий с структурным решетчатым покрытием. Конструкция данной системы вполне стандартна, оба элемента которой, диагональной и поясной, снабжены на концах специальными деталями. Соединение происходит за счет четырех высокопрочных болтов, при этом отсутствует дополнительный коннектор. Данный способ соединения имеет свои положительные стороны, среди которых основной является достаточно низкая материалоемкость, однако, соединения без дополнительного коннектора не допускают значительных погрешностей при изготовлении стержней и требуют тщательной выверки. Рис. 1.32- Система PREMIT
Система ORONA Среди недавних разработок можно отметить узловую систему COSMOS (рисунок1.34), особенность которой заключается в возможности присоединять стержни под любым углом. Кроме узловых систем, основанных на болтовых соединениях, также применяются сварные соединения. Один из наиболее популярных коннекторов из числа сварных соединений - это разработка немецкого концерна Manessman, коннектор системы Oktaplatte [52]. Данная конструкция была с успехом применена в строительстве павильона кассовых аппаратов США на Всемирной выставке 1964-1965 гг. в Нью-Йорке.
Система Oktaplatte и коннектор Oktaplatte. Система Oktaplatte является прообразом французской сварной системы SEGMO (рисунок1.37), предложенной С. Дю Шато. Коннектор Segmo состоит из двух половинок с приваренными к ним трубными элементами. Техническое решение сварных соединений, предложенное лабораторией МК и сварки ЦНИИСК им. В.А. Кучеренко, основано на ванной сварке [76], рисунок1.36. Данное сварное соединение можно наблюдать в конструкции рынка в г. Тольятти в форме пирамиды с основанием 5454 м, высота которой составляет 27,4 м. Для данного соединения характерно отсутствие коннектора и дополнительных деталей.
Соединение, предложенное ЦНИИСК им. В.А. Кучеренко Среди основных недостатков сварных соединений можно обозначить значительный объем монтажных сварочных работ, трудоемкость процесса выверки углов, опасность возникновения расцентровки, неразборность соединений, жесткие требования к длинам стержней, неоднородность сварного шва и остаточные сварочные напряжения, а также повышенная пожароопасность при использовании древесины. Однако, есть и важные преимущества, например, возможность соединения различных элементов в разном количестве практически под любым углом.
Французская система Villeroy (рисунок1.37) состоит из трубных элементов с болтовыми соединениями, которые гарантируют устойчивость системы к значительным нагрузкам. Коннекторы этих систем отличаются тем, что состоят из нескольких деталей, стягиваемых между собой центральным болтом. Французская разработка Delcroix (рисунок 1.38), на практике практически не применяется. Рис. 1.38- Delcroix Также достаточно редко встречается французская разработка Raccord (рисунок 1.39), узел которой имеет сферическую форму, в то время как трубные элементы снабжены ввинчивающимися дополнительными элементами. Рис. 1.39- Система Raccord Польский узел (рисунок 1.40) был специально спроектирован для тринаравленных однослойных решетчатых куполов из стали. В данной разработке используются шесть стержней, трое из них крепятся к фасонке при помощи болтов, остальные стержни привариваются к фасонке.
Рис. 1.40- Польский узел Особый интерес вызывает система NS Truss. Она была разработана японской корпорацией Nippon Steel для трубных элементов, используемых в конструировании структурных решеток. Узел данной системы имеет вид полой стальной сферы U-образной формы с полостью для соединительных болтов и с отверстиями, в которых фиксируются болтами трубные элементы, снабженные с обеих сторон конусовидными наконечниками. Болты фиксируются в конусах до сварки. В отличие от большинства систем, в cистеме NS Truss болты располагаются резьбой наружу и ввинчиваются в конусовидные наконечники стержней. (рисунок 1.41) Рис. 1.41- Система NS Truss На (рисунок1.42) изображены соединения, применяемые для конструкций из древесины.
В результате сравнительного анализа различных видов запатентованных узловых систем можно выявить следующие важные моменты: 1. С экономической точки зрения наиболее выгодными считаются узловые системы с цельными деталями, поскольку они являются менее материалоёмкими и состоят из стандартных однотипных элементов, простых в изготовлении. Кроме того, они более надежны благодаря отсутствию ослаблений в виде неравномерных сварных швов. При этом, данные системы плохо поддаются модификации и предполагают только стандартные формы и размеры. Монтаж данных конструкций относительно сложен. 2. С эстетической точки зрения наиболее предпочтительными можно считать узловые системы на пространственных листовых фасонках. В отличие от сферических коннекторов, такие схемы допускают большие отклонения длин стержневых элементов. Кроме того, монтаж подобных узловых систем достаточно прост.
Сварные соединения проигрывают болтовым по таким показателям, как объем монтажных работ, трудоемкость выверки углов, неразборность, жесткие требования к длинам стержней, ослабления в виде сварного шва и пр. Возможность соединения элементов в разном количестве под любым углом можно обозначить в качестве единственного значимого преимущества.
Соединения без использования дополнительного коннектора выгодны только при низких и средних нагрузках. Несмотря на низкую металлоемкость, они требуют минимум погрешностей и тщательной выверки при изготовлении.
На данный момент в сфере резервуаростроения наблюдается тенденция к увеличению единичной емкости резервуара. Одной из ключевых задач является разработка прочных, лёгких и дешевых крыш, годных для перекрытия цилиндрических вертикальных стальных резервуаров диаметром 60 м и выше, которые в настоящее время выполняются со стационарной крышей, с понтоном и плавающей крышей. Переход на резервуары с большей единичной вместимостью, крыши которых представляют собой пространственные конструкции, дает заметные преимущества по экономическим и технологическим показателям.
На данный момент разработаны однослойные купольные крыши большого диаметра, однако их существенными недостатками являются высокая стоимость и большой собственный вес конструкции.
Цель данной работы определена как разработка конструкции структурной купольной крыши для РВС большого диаметра (от 60 метров), позволяющей использовать конструкции без дополнительных опор, а также значительно снизить стоимость крыши.
Обсуждение результатов
Для реализации экспериментальной части требуется структурная модель. Для проведения эксперимента необходимо выбрать вид модели, способный дать в ходе эксперимента наиболее адекватные результаты. Для этого следует обратить к классификации моделей [89]:
Упругая модель геометрически точно соответствует своему прототипу, при этом состоит из гомогенного материала, который далеко не всегда аналогичен материалу прототипа. Следовательно, данная модель может быть применена, если требуется определить поведение структуры при эластичном нагружении, не учитывая прочие нагрузки.
Непрямая модель является одной из разновидностей упругой модели, используемой для получения диаграмм воздействия для реакций внутри структуры, возникающих в результате воздействия нагрузок, таких как усилие сдвига, изгибающий момент и осевые силы. В настоящее время эти данные эффективнее получать с помощью компьютерных расчетов.
Прямая модель геометрически по всем параметрам соответствует прототипу и получает такие же нагрузки. Для получения адекватных данных достаточным является испытание нагрузками отдельного фрагмента конструкции.
Модель прочности является прямой моделью, выполненной из материалов, аналогичных материалам прототипа, что позволяет адекватно оценить поведение конструкции при воздействии всех типов нагрузок любой интенсивности, вплоть до разрушения.
Модель ветрового воздействия позволяет определять воздействие различных видов ветровых нагрузок на структуру, как поведение при совокупных ветровых нагрузках, так и свойства формы конструкции, свойства её жесткости, для определения степени деформации и динамического взаимодействия конструкции с ветром. Динамические модели применяются для исследования влияния вибрации, или динамических воздействий нагрузки на структуру. К этой группе относятся модели для изучения сейсмоустойчивости.
Выбор масштаба модели зависит от многих факторов. Небольшие модели требуют меньших нагрузок, однако представляют сравнительно большие сложности в изготовлении. Крупные модели более просты в изготовлении, при этом они требуют гораздо более сложное оборудование, имитирующее нагрузку. Также от корректно выбранного масштаба модели зависит степень точности полученных результатов [90]. Для данного исследования наиболее адекватным представляется выбор модели с масштабом 1:20, поскольку изготовление полномасштабного прототипа требует значительно больших финансовых вложений, а выбор прототипа более мелкого масштаба представляет больше трудностей в изготовлении. Кроме того, для проведения данного исследования нет необходимости создавать конструкцию полностью, достаточно подвергнуть нагрузкам её небольшой фрагмент.
Основным преимуществом физической модели по отношению к аналитической является возможность проследить поведение целой структуры вплоть до её разрушения, поскольку, несмотря на значительные продвижения в сфере компьютерных процедур анализа, они не могут рассчитать аналитически предельную прочность многих трехмерных конструкций, особенно если имеют место сложные нагрузки.
Чтобы оценить согласование конечных элементов модели с изготовленной рамой, она сравнивается с тестовой моделью. Если конечный элемент-модель отличается от тестовой модели, результаты корреляции могут быть использованы для того, чтобы откорректировать конечный элемент-модель.
Итак, данный эксперимент имеет целью определить поведение и характеристики элементов и узлов крыши. Наряду с этим, целью является определение того, каким образом восстанавливающая сила работает для стабилизации рамы под воздействием снеговой нагрузки, и определить сжатие и растяжение в отдельных элементах, отклонение, для сравнения полученных результатов с результатами аналитического решения.
Точность аналитического ответа зависит от количества узлов, выбранных для формулировки матрицы массы. Однако объём экспериментальной работы, требуемый для определения коэффициентов влияния, возрастает пропорционально количеству узлов.
В данном эксперименте в качестве объекта исследования был взят фрагмент участка крыши, на который приходится максимальное напряжение под воздействием комбинированной снеговой и ветровой нагрузок, который был определён в результате расчетов во второй части данной работы. В качестве объекта исследования нами был выбран фрагмент крыши, в котором согласно предварительного расчёта возникает максимальное напряжение (рисунок 3.1).
Эксперимент проводят в двух ситуациях: при создании нового промышленного объекта или процесса по данным предварительных опытов и при оптимизации действующего производства. Исследователь располагает математической моделью объекта и возможностью свободно варьировать его параметрами [91]. Моделирование экспериментальных установок Критерии расширенного подобия
Полное подобие натуры и модели недостижимо, поскольку для достижения этого необходимо, чтобы либо размеры модели полностью соответствовали размерам натуры, либо при масштабировании строго соблюдался целый ряд труднодостижимых важных условий, таких как характеристики материала, детали сборки и сочетание нагрузок на конструкцию. Поэтому приходится прибегать к расширенному подобию путем геометрического и силового моделирования. Определяющими параметрами системы или параметрами, описывающими ее поведение, являются: 1) величина приведенной сосредоточенной силы F внешней нагрузки на крышу, размерностью [F]; 2) длина структурной модели L, размерностью [L]; 3) площади поперечных сечений модели с размерностью [L2]; 4) модуль упругости Е, с размерностью [L-2F]. Приняв для удобства, что сила является первичной величиной, а масса, выражаемая через силу - вторичной размерной величиной, то имеем среди всех определяющих параметров только две размерные величины (сила и обобщенная длина) обладающие независимыми размерностями.
Спецификация крыши
Из таблицы видно, что в случае использования модуля 3 собственный вес конструкции составляет 1 м2 25 кг/м2, при нагрузках для района V максимальное напряжение -228 МПа (отрицательные числа в данной таблице обозначают усилие
сжатия), в то время как при использовании модуля 1 или 2 вес конструкции на каждый 1 м2 перекрываемой поверхности существенно возрастает до 38 и 32.5 кг/м2 соответственно. Как видно из таблицы 4.5, количество узлов и стрежней в конструкции крыши меньше при использовании модуля 3, по сравнению с модулем 2, что является преимуществом для монтажа конструкции, поскольку требует меньше времени, кроме того, снижение количества узлов и стержней ведет к снижению стоимости крыши и стоимости ее сборки.
Как видно из таблицы 4.6, деформация крыши при использовании модуля 2 меньше, чем при использовании двух других моудлей, и при воздействии собственной нагрузки, и при комбинированном воздействии собственного веса и снеговой нагрузки. Сопоставив и проанализировав данные, представленные выше, можно прийти к заключению, что при использовании модулей третьего типа (модуль 3) совокупный вес купола диаметром 60.7 м равен 187 тонн, что преобразовывается в расход стали равный 25 кг/м2 перекрывающей поверхности для создания каркаса без учёта настила, когда расстояние между слоями равно 2.1 м при использовании листа толщиной 5 мм массой 39.25 кг/м2.
Замечено, что при отсутствии снеговой нагрузки максимальная деформация приходится на центр конструкции, постепенно снижаясь по мере увеличения расстояния от центра, в то время как при наличии снеговой нагрузки напряжение перераспределяется таким образом, что максимальная деформация приходится на участок, где расположен снег.
Поскольку в данной научной работе речь идёт именно о сооружениях, диаметр которых превышает 60 метров, ключевыми параметрами структурных покрытий являются собственный вес конструкции, высокая устойчивость к различного рода деформациям, сбалансированное распределение напряжения по конструкции и минимальное возможное количество деталей при сохранении ключевых характеристик.
На основе вышесказанного был сделан вывод, что оптимальным вариантом конструкции является конструкция с использованием модуля 3, поскольку ее собственный вес является сравнительно наименьшим, кроме того, для ее сборки потребуется наименьшее количество стержней, при этом конструкция сохранит требуемую устойчивость к деформациям и обеспечит требуемый уровень безопасности при эксплуатации резервуара.
Момент инерции относительно центральной оси Х, Ix Момент инерции относительно центральной оси У, Iy Площадь поперечного сечения, A Наибольшая координата по оси Х Наибольшая координата по оси Y
Следующим важным моментом проектирования и оптимизации крыши после выбора модуля является выбор узла, отвечающего требованиям устойчивости, прочности и легкости изготовления. В качестве основной рекомендации при выборе узловых соединений для крыш РВС можно обозначить выбор в пользу сварного диска, поскольку сварной диск является оптимальным бюджетным вариантом, позволяет соединять стержни разного диаметра и формы сечения, а также он прост в изготовлении и позволяет варьировать количество болтов, которые соединяют стержни в узлах конструкции. цифровые значения данных сил приведены в следующей таблице: Таблица 4.11. Максимальные силы, действующие на слои крыши Максимальныесжимающиесилы, кН Максимальныерастягивающиесилы, кН верхний слой 17.862 26.7 диагональные связи 96.7 70.7 нижний слой 143.9 39.954 Для верхней решетки рассмотрены прямоугольные сегменты с целью облегчить установку пластин на поверхности крыши без зазоров. Выбор сделан в пользу сегмента прямоугольнй формы со стороной 60 40 мм и толщиной 4 мм, который приемлем для замера и контроля. Для данного проекта разработаны два вида узлов: верхний и нижний.
В проектировании данного узла наиболее приоритетными моментами являются прочность конструкции, а так же простота изготовления. Приведенная ниже иллюстрация демонстрирует Максимальное растягивающее усилие для верхнего слоя решетки рассчитано как равное 26,7 кн, и максимальное сжимающее равное 17,862 кн. Диаметр болтов, которые предполагается использовать для фиксирования узла, можно рассчитать следующим образом: Напряжение сдвига Болты используются с целью избежать движения двух или более частей конструкции относительно друг друга, как, например, в случае фланцевого соединения, когда в болтах возникает напряжение сдвига.
Допустим, что Ps = напряжение сдвига, приходящееся на болт, d = внешний диаметр болта, n = количество болтов. рассчитано, что соответствующий размер болта M Рис. 4.21- Положение болтов в узлах верхнего слоя. Для диагональных стержневых элементов можно рассчитать размер диаметра болтов, которые предполагается использовать для фиксирования узла, где максимальная растягивающая нагрузка равна 70.7 кн, а максимальная сжимающая нагрузка 96.7 кн.