Содержание к диссертации
Введение
I. Современное состояние и пути развития резервуарных конструкций 10
1.1 Принципы формообразования резервуарных конструкций ...10
1.2 Реализация "естественных" и "искусственных" форм в конструкциях хранилищ 14
1.3 Перспективные направления развития резервуаров 36
1.4 Определение формы цилиндрической стенки "каплевидного" поперечного сечения ..39
1.5 "ПЕГС" - новая конструктивная форма резервуаров...45
Выводы к главе I .43
2. Исследования напряженно-деформированного состояния корпуса ШТС .49
2.1 Расчет стенки ПРГС 49
2.2.1 Расчет стенки ПРГС, как абсолютно ^гибкой нерастяжимой нити 50
2.1.1 Расчет стенки ПРГС, как статически неопределимой арки 55
2.1.2 Выбор системы стабилизации стенки 70
2.1.3 Расчет стенки ПРГС, как абсолютно гибкой нерастяжимой нити с трехстержневой шарнирной системой стабилизации 74
2.1.4 Расчет стенки ПРГС с трехстержневой шарнирной системой стабилизации по геометрически нелинейной схеме 89
2.1.5 Инженерная методика расчета стенки ПРГС произвольной жесткости ЮІ
2.2 Угловое сопряжение (УС) ПРГС... 109
2.2.1 Расчетная схема углового сопряжения 111
2.2.2 Методика расчета углового сопряжения. 113
2.2.3 Расчет углового сопряжения для ПРГС высотой 10,2 м и толщиной стенки 4 мм ..120
Выводы к главе 2 121
3. Исследование напряженно-деформированного состоя ния корпуса ПРГС на модели 123
3.1 Моделирование геометрических размеров и жесткости стенки ПРГС 123
3.2 Конструирование модели ПРГС 127
3.3 Контрольно-измерительная аппаратура и устройства... 130
3.4 Изготовление и сборка модели 134
3.5 Проведение испытаний модели 139
Выводы к главе 3 145
4. Конструирование и расчет элементов ПРГС 147
4.1 Формообразование ПРГС 147
4.2 Исследования геометрии корпуса ПРГС 149
4.3 Конструирование корпуса ПРГС 155
4.4 Конструкции каркасе, ПРГС 157
4.4.1 Расчет и конструирование обвязочных балок ПРГС... 162
4.4.2 Расчет и конструирование конструкций покрытия ПРГС 165
4.4.3 Расчет и конструирование колонн ПРГС 169
4.4.4 Расчет и конструирование фундаментов ПРГС 171
4.4.5 Расчет и конструирование системы стабилизации 174
4.5 Ограждающие и теплоизоляционные конструкции ПРГС...174
Выводы к главе 4... ...175
5. Проектирование и монтаж ПРГС ... 177
5.1 Вариантное проектирование ПРГС ...177
5.2 Монтаж ЇЇРГС -...-...183
Выводы к главе 5 ..» 192
6. Внедрение .194
Заключение... 196
Список использованной литературы.
- Принципы формообразования резервуарных конструкций
- Расчет стенки ПРГС
- Моделирование геометрических размеров и жесткости стенки ПРГС
- Формообразование ПРГС
Введение к работе
В технологических процессах практически всех современных отраслей народного хозяйства важное место занимают резервуары, обеспечивающие хранение исходных, промежуточных и конечных продуктов производства, а также горюче-смазочных материалов, отходов и т.п. Запланированное "Основными направлениями экономического и социального развития СССР на I98I-I985 годы и на период до 1990 года" увеличение добычи нефти до 620-645 млн.тонн является отражением растущей потребности народного хозяйства в нефтепродуктах. Исследования показывают, что каждый кубометр добы о ваемой нефти требует обеспечения 0,4м резервуарной емкости [52]. Развитие народного хозяйства, таким образом, тесно связано с совершенствованием резервуарных конструкций.
Значительный вклад в теорию и практику резервуаростроения внесен работами таких авторов, как В.Г.Шухов [127] , С.П.Тимошенко [іІО-ІІз] , М.К.Сафарян [83,84] , Е.Н.Лессиг [41,42] , А.С.Воль-мир [17,18,19] , В.З.Власов [15] , Е.И.Беленя [7,35,55] , Б.В.Натовский [65-68] и др.
Существование большого количества типов резервуаров,, различающихся по форме корпуса (сферическая, цилиндрическая, каплевидная, прямоугольная и т.п.), материалу (металлические, железобетонные, пластмассовые и т.п.) и другим параметрам, обусловлено свойствами хранимых продуктов, а также технологическими и др. требованиями. Многолетняя практика проектирования, строительства и эксплуатации резервуаров выявила в качестве наиболее эффективной конструкцию вертикальных цилиндрических стальных резервуаров (ВЦР).
Достоинства ВЦР, заключающиеся в технологичности изготовления !Л Материалы ХХУІ съезда КПСС- М.: Политиздат, 1981.- 223с. и монтажа, высоких эксплуатационных качествах и технико-s кон омических показателях, рациональности и простоте расчетных и конструктивных схем обеспечили широкое распространение данного типа резервуаров. С появлением в резервуаростроении тенденций к увеличению единичных объемов резервуаров до 200 и более тыс.м3, строительству хранилищ в районах с низкими расчетными температурами, большими нагрузками на покрытие, "слабыми" грунтами и т.п., начали проявляться недостатки данной конструктивной формы, в основном, связанные с круглым планом вертикальных цилиндрических резервуаров.
Увеличение объема БЦР связано с увеличением радиуса, что приводит к росту толщины стенки. Значительная толщина стенок современных БЦР больших, объемов затрудняет или делает невозможным ру-лонирование полотнищ корпуса, приводит к увеличению изгибных напряжений краевого эффекта, снижает надежность опорного узла резервуара, ухудшает условия работы основания и т.п.
Предварительное напряжение стенки навивкой высокопрочной проволоки, устройство двух-, трех- и многослойных корпусов, применение конструкций типа "резервуар в резервуаре" и т.п. мероприятия частично улучшают работу корпуса, однако в целом отмечается невозможность удовлетворения большинству современных требований в рамках данной и др. существующих конструктивных форм.
Б практике отечественного и зарубежного резервуаростроения решение проблемы улучшения технике?экономических, эксплуатационных и др. показателей резервуаров во все большей степени увязывается с разработкой новых конструктивных форм. Таким образом,тема данной работы - "Прямоугольный в плане стальной резервуар с гибкой стенкой (ЇЇРГПУГ4І" является актуальной. Целью исследования является разработка конструкции резервуара отвечающей следующим требованиям:
I.Независимость напряженно-деформированного состояния элементов от емкости резервуара, подразумевающая практически полную унификацию конструктивных решений для широкой номенклатуры объемов хранилищ.
2.Работа элементов резервуара в условиях, близких к оптимальным для данного вида строительных конструкций, подразумевающая возможность применения прогрессивных конструкций и материалов, в т.ч., использование типовых решений производственных -зданий.
3.Возможность использования современных методов изготовления, транспортирования и монтажа конструкций (рулонирование, конвейерная и крупноблочная сборка), т.е. индустриализации резервуаростроения.
4.Высокий уровень технико-экономических показателей - снижение материалоемкости, стоимости и т.п. В процессе исследований были решены следующие основные задачи:
I.Выбор конструктивных форм и расчетных схем резервуара и его элементов.
2.Определение расчетных нагрузок на конструкции.
3.Теоретические исследования напряженно-деформированного состояния конструктивных элементов и резервуара в целом.
4.Экспериментальные исследования на крупномасштабной модели.
5.Разработка инженерной методики расчета конструкций.
б.Разработка методики конструирования и способов монтажа резервуара.
7.Проведение технико-экономического анализа эффективности новой конструктивной формы, выявление рациональных областей применения.
Идея работы заключается в использовании в качестве корпуса резервуара висячих цилиндрических оболочек, направляющая линия поверхности которых горизонтальна в нижней и вертикальна в верхней точке. Форма направляющей соответствует очертаниям абсолютно гибкой нити под действием гидростатической нагрузки. Стенки резервуара плавно переходят в плоское прямоугольной формы днище и крепятся к рамам каркаса при помощи соединительных элементов. Конструктивное решение подобного хранилища, называемого в дальнейшем • "Прямоугольный в плане стальной резервуар с гибкой стенкой (ПРГС)" обеспечивает выполнение требований, сформулированных в виде цели данной работы.
Научная новизна результатов исследований заключается в том, что автором впервые разработаны и выносятся на зашиту:
1.0 боснование необходимости и возможности создания конструктивной формы ПРГС ,
2.Способ стабилизации стенки ПРГС при помощи 3-х стержневой шарнирной системы и стрингеров-,
3.0 сновные (принципиальные) конструктивные решения корпуса, каркаса и соединительных элементов ПРГС",
4.Инженерная методика определения внут-Р: в"Н"н их усилий в конструкциях ПРЕС: с учетом работы стенки корпуса по геометрически нелинейной схеме ,
5.Методика конструирования основных элементов, определения геометрических размеров, объемов и др. характеристик ПРГС;
6. Метод монтажа ПЕГС. _ Реализация работы» Результаты проведенных исследований применены при проектировании ІЇЇТС объёмом 250 и 5Й0 м3 Челябинским отделением ЩИШІСК. Основные положения работы использованы при подготовке материалов раздела "Листовые конструкции? 6-го издания учебника "Металлические конструкции" под общей редакцией Е.И.Бе-лени.
Апробация результатов работы проведена на П Ухтинской научно-технической конференции молодых ученых и специалистов (г.Ухта, 1980) - доклад; на Научно-технической конференции "Состояние и перспективы применения в строительстве пространственных конструкций" (г.Свердловск, 1980) - доклад; на научно-технической выставке "Высшее образование в СССР На примере Московского инженерно-строительного института", экспонировавшейся по плану IKHT СССР в ШР (г.Будапешт, 1982) - экспонат; на заседании кафедры "Металлические конструкпии" МИСИ им. В.В.Куйбышева (г.Москва, 1983) - доклад.
Принципы формообразования резервуарных конструкций
Давление газа или жидкости, находящихся в сосуде, передается на стенки в виде нагрузки, направленной в каждой точке по нормали к поверхности. Величина нагрузки не зависит от формы сосуда, а связана с природой хранимого продукта: для жидкости нагрузка, увеличиваясь с ростом глубины по линейному закону, остается постоянной на каждом горизонтальном уровне, в то время, как для газообразного продукта давление постоянно во всех точках сосуда.
Напряженно-деформированное состояние в стенках сосуда зависит как от величины и закона изменения (природы) давления, так и, в большей степени, от формы самой стенки.
Форма резервуара (сосуда), задаваемая в соответсвии с потребностями или возможностями производства (заказчика) на основании свойства газов и жидкостей принимать очертание сосуда, в который они помещены, может быть названа "И-с кусствен-н о й".
Форма резервуара может быть задана также в результате исследований влияния нагрузки от хранимого продукта на напряженно-деформированное состояние конструкций хранилища. Такая форма, называемая рациональной или "естественной", позволяет наиболее полно использовать свойства конструкций и материала стенок резервуара.
Герметичность сосудов, содержащих газ или жид кость обеспечивается стенками, которые как сами по себе, так и в местах примыкания друг к другу должны обладать гидро- и газоне проницаемостью. Требованию герметичности удовлетворяют стенки в виде пластин или оболочек, имеющие прямоугольное поперечное сече ние.
Внутреннее давление газа или жидкости вызывает в стенках сосуда произвольной формы напряжения изгиба, сжатия и растяжения. Создание конструкций рациональной формы, работающих в условиях изгиба или сжатия, требует введения элементов, имеющих специальную форму поперечного сечения (кольцо, крест, тавр, двутавр и т.п\ в то время, как прямоугольное поперечное сечение является в этих случаях, недостаточно эффективным [9,17-19,110-113,148] . Таким образом, для сосудов (резервуаров), воспринимающих внутреннее давление, оптимальной является форма, обеспечивающая работу стенок, в основном, на растяжение.
В качестве материала для корпусов возможно использование металлов [42,45,46,52] , пластических масс и др. синтетических материалов [47,57,120] , железобетона І6,24,І05,І4І,І43] , однако, по технологическим, эксплуатационным, экономическим и др. соображениям наиболее рационально применение стали [10,13,38,42, 52-54,127] .
Форма сосуда, обеспечивающая его работу, в основ ном, на растяжениеj может быть получена путем приложения данной нагрузки к абсолютно гибкой мембране и исследования очертаний последней [118,119] .
Пусть дан сосуд произвольной формы, находящийся в условиях внутреннего давления содержащегося в нем газа или жидкости (рис.1.1). Рассечем сосуд двумя параллельными плоскостями,Wjи W2» расположенными на малом расстоянии "ем друг от друга. Придадим части стенки сосуда, заключенной между плоскостями, свойства абсолютно гибкой мембраны и допустим, что она может свободно перемещаться под.действием внутреннего давления, причем перемещения не приводят к нарушению герметичности сосуда. Соединим мембрану с плоскостями W4 и /апри помощи четырех расположенных попарно опор "1" и "П" таким образом, чтобы она могла скользить относительно неповижных осей. Рассмотрим формы мембраны при различных нагрузках.
При действии на стенку сосуда давления газа (рис.1.2) мембрана приобретает очертание окружности независимо от способа расположения плоскостей V и W% относительно осей координат. Усилия растяжения в мембране зависят от величины давления, постоянной по всему объему и от длины мембраны в данном сечении. Полученная окружность может быть рассмотрена, как принадлежащая поверхности вращения с центральной или осевой симметрией.
Рациональными формами сосудов при действии равномерно распределенного давления являются сфера и поверхности, образованные вращением плоских кривых относительно оси, проходящей через центр мембраны (окружности) и перпендикулярной плоскостям Ц и VJt [і 1,102 J .
Расчет стенки ПРГС
Цилиндрическая стенка ПРГС имеет в расчетном положении форму направляющей, соответствующую такому очертанию гибкой нити под действием гидростатической нагрузки, при котором угол наклона касательной в верхней точке равен (в данном случае, под расчетным положением понимается загружение нити гидростатическим давлением с высотой столба жидкости, равной вертикальной проекции нити; в дальнейшем такое загружение будем называть "равновесным"). При этом форма направляющей описывается соотношениями (1.37)4-(1.42) и толщина стенки, рассчитываемая по (1.44), оказывается весьма малой (?/±) 450О , что позволяет рассчитывать стенку ПРГС, как абсолютно гибкую нить. Дополнительной предпосылкой является предположение нерастяжимой нити.
Действие на нить любой нагрузки, отличной от равновесной (уровень жидкости, отличающийся от полного, избыточное давление, вакуум и т.п.), вследствие абсолютной гибкости, должно приводить к изменению очертаний нити, т.е. к принятию рациональной формы, которая соответствует данной нагрузке. Постоянное изменение формы стенки резервуара, при котором перемещения могут достигать весьма больших значений (например, при действии ветровой нагрузки или вакуума на пустой резервуар), МОЖЕТ привести к разрушению корпуса в сравнительно более жестких зонах угловых сопряжений.
Характеристикой частичного (неравновесного) заполнения резервуара является высота поверхности жидкости (продукта) над уровнем днища: 4j«n"$tt S 1 (2.1) Работа стенки, как абсолютно гибкой нерастяжимой нити, связана с образованием по ее длине 3-х участков (рис.2.1): I.Прямолинейного горизонтального участка "укладывания на основание" длиной () 2.Криволинейного участка "заполнения" длиной и(\) 3.Прямолинейного наклонного участка, расположенного выше уровня продукта.
С опорожнением резервуара (уменьшением ) увеличивается длина 3-го участка и величина н$)при одновременном уменьшении o4(J)и 1»() . В силу нерастяжимости нити, для любого значения можно записать следующие соотношения: принимаются no (1.41),(1.42) Решая уравнения (2.4) и (2.5) совместно, с учетом (2.1) и (I.4I), (Г.42), долучим уравнение относительно К0&) , т.е. модуля эллиптических интегралов, описывающих геовяетрию новой рациональноЁ формы нити:
При подстановке значений c esWSL с/ (заполнение на высоту R является "равновесным" загружением для новой рациональноЁ формы), а также Cascle 6 ±-2 Yjf) (2.7) сги а[)»М) П?5Г (2.8) уравнение (2.6) можно записать в виде:
Решая уравнение (2.9) методом подбора с использованием таблиц эллиптических интегралов [8] , получаем значение К ft) для конкретного уровня заполнения . Определение остальных геометрических характеристик нити {&($), Left НІ) производится по формулам (2 2)-ь(2.5).
В стенке резервуара, отвечающей рассматриваемой расчетной схеме, возникают лишь растягивающие продольные усилия, уменьшающиеся с опоролиением корпуса (уменьшением ).
Моделирование геометрических размеров и жесткости стенки ПРГС
Моделирование тонких оболочек практически всегда связано с применением неполного (афинного) подобия [51J . Невозможность сохранения требуемого отношения толщины оболочки к ее характерному габаритному размеру даже при достаточно крупном коэффициенте подобия обуславливает ужесточение стенки модели.
При моделировании корпуса ПРГС решающим фактором является не подобие геометрических размеров, а обеспечение жееткостных характеристик стенки модели, обуславливающих ее работу по ГНС. Геометрическое подобие необходимо для проверки правильности методик конструирования ПРГС, определения полезного объема и т.п.
При проведении экспериментальных исследований корпуса ПРГС решались следующие основные задачи: I.Апробация методик построения развертки корпуса и определения объема. 2.Апробация "Инженерной методики расчета стенки ПРГС произвольной жесткостиї(п.2.І.б).
В качестве объекта геометрического моделирования (по габаритам) [б4] был выбран резервуар объемом 5000 м3 (ПРГС-5000) с отношением габаритного размера в плане к высоте корпуса 0,45. При выборе в качестве коэффициента подобия по габаритам достаточно большой величины Кп = 0,1 геометрические размеры модели составили: (рис.3.1)
На выбор конкретных размеров модели оказали влияние размеры стальных листов (задача сокращения количества швов корпуса), а также ограничения модели по габаритам, накладываемые условиями проведения эксперимента.
Целью моделирования жесткости является подбор такого соотношения толщины листов и высоты резервуара, при котором параметр жесткости стенки находился бы в пределах 0,05 % 0,28 и, таким образом, обеспечивал бы достаточно четко выраженную геометрически нелинейную работу корпуса.
При толщине листовой стали 0,6 мм и высоте корпуса модели ПРГС 940 мм величина параметра жесткости (2.103) составляет Ч =0,18 и находится в требуемых пределах.
В результате моделирования была получена модель ПРГС-5000 BIJA натуральной величины при неполном (афинном) подобии по жесткости, обладающая следующими свойствами:
1.Количество рабочих (вдоль образующей цилиндрической поверхности стенки - поперек продольного усилия) швов сведено до минимума и ограничивается лишь швами, крепящими стенку к днипг/ и к обвязочной раме, т.е., к элементам, обладающим гораздо большей жесткостью, чем стенка.
2.Соотношение геометрических размеров модели обеспечивает наличие в ее корпусе всех необходимых для исследования элементов, выполненных из целых листов стали: .. -углового участка с запасом длины образующей, соответствующим 17 расчетной схеме углового сопряжения, -линейного участка стенки.
3.Крупные геометрические размеры модели позволяют достаточно полно исследовать процесс изготовления и сборки корпуса ПРГС.
4.Жесткость стенки, характеризуемая параметром 4 , дает возможность изучить геометрически нелинейный характер работы корпуса ПРГС.
5.Материал для изготовления корпуса модели обеспечивает полное физическое подобие объекта моделирования и модели являясь, по данным механических испытаний, конструкционной сталью СтЮ.
Формообразование ПРГС
Прямоугольный в плане стальной резервуар с гибкой стенкой состоит из корпуса, каркаса и соединительных элементов - обвязочных балок и стабилизирующих стержней (рис.4.1).
Корпус ПРГС, формирующий полезный объем резервуара, является стальной мембраной толщиной 4 мм, центральная часть которой, уложенная на грунтовое основание, образует плоское прямоугольной формы в плане днище, а периферийные участки, крепящиеся по внешнему периметру к обвязочным балкам, выполняют функцию стенок. Стенки ПРГС состоят из линейных участков и угловых сопряжений и представляют собой цилиндрические поверхности с образующими, параллельными сторонам прямоугольника днища. Угловые сопряжения корпуса ПРГС образуются при пересечении цилиндрических поверхностей стенок и имеют одинаковую форму для всех углов резервуара. Таким образом, развертка корпуса может быть представлена в виде совокупности полотнищ двух типоразмеров - прямолинейных и криволинейных, причем площадь последних значительно меньше.
Корпус ПРГС не является самонесущей конструкцией, и, кроме того, подвержен значительным перемещениям ввиду малой жесткости. Корпус крепится к колоннам каркаса по верхнему внешнему периметру посредством обвязочных балок, воспринмающих, таким образом, вертикальную нагрузку от тяжения стенки. Горизонтальные перемещения стенки, возникающие при действии различных неравновесных нагрузок, стабилизируются при помощи стержней, шарнирно связывающих стрингеры стенки с колоннами каркаса и передающих на каркас горизонтальные усилия.
Каркас ПРГС, аналогичный каркасам одноэтажных производственных зданий [52-54,923 » состоит из колонн, стропильных конструкций и щитов покрытия, фундаментов, связей и т.п.
Колонны ПРГС, расположенные по периметру корпуса, воспринимают нагрузку от стропильных конструкций, а также от тяжения стенки и стабилизирующих стержней. Шаг наружных колонн принимается постоянным по периметру и равным б метрам, что позволяет использовать при конструировании ПРГС унифицированные габаритные схемы одноэтажных производственных зданий [16] .
При значительных размерах резервуара в плане (более 24x24м) целесообразно перекрывать его пролет несколькими стропильными конструкциями типовых пролетов с опиранием на внутренние колонны.
Стропильные конструкции ПРГС, а также главные балки щитов покрытия воспринмают не только вертикальную поперечную нагрузку от веса покрытия, снега и т.п., но и горизонтальные реакции, передаваемые наружнымиколоннамив их верхней точке.
Колонны каркаса ПРГС шарнирно крепятся к стропильным конструкциям и защемлены в фундаментах, что обеспечивает неизменяемость расчетной схемы ПРГС [53] .
Исследования геометрии корпуса ПРГС
В соответствии с рис.4.2 полезный объем может быть представлен в виде суммы объемов: Vo = \4u+ V Wsr (4.1) где VAU - объем прямоугольного параллелипипеда с высотой, равной высоте резервуара Н и площадью основания, равной площади днища. VCT - объем цилиндрического тела с площадью основания, равной площади, ограничиваемой направляющей стенки и осью аппликат и длиной (высотой), равной периметру днища. Vyr-8Vyr- суммарный объем восьми тел, образующихся при пересечении стенок резервуара, причем горизонтальная проекция каждого из этих тел является равнобедренным прямоугольным треугольником с катетами, равными горизонтальной проекции направляющей стенки ПРГС, а плоскость пересечения тел вертикальна и проходит через диагональ угла резервуара (под углом в 45к обвязочным балкам).
