Введение к работе
Актуальность работы. Проблема обеспечения прочности цилиндрических резервуаров для хранения нефтепродуктов имеет важное значение и является весьма актуальной для Ирана. Во-первых, как известно, Иран является одним из крупнейших поставщиков нефти на мировом рынке, в связи, с чем проблема хранения нефти является одной из основных для нефтедобывающих предприятий. Во-вторых, территория Ирана отнесена к районам высокой сейсмичности и здесь нередко происходили и происходят землетрясения интенсивностью 7-8 баллов.
В связи с этим проблема эксплуатационной надежности и обеспечения прочности резервуаров при сейсмических воздействиях актуальна и представляет собой одну из важнейших задач научных исследований в Иране.
Вертикальные стальные цилиндрические резервуары (ВСЦР), благодаря своей простоте и ряду преимуществ по сравнению с другими конструктивными формами, являются в настоящее время наиболее прогрессивной конструкцией хранилищ для жидкостей, которые наиболее часто применяются в сейсмически опасных районах. Вместе с тем стальные вертикальные цилиндрические резервуары, как показывает анализ последствий сильных землетрясений, оказываются весьма чувствительными к сейсмическим воздействиям, повреждаются и разрушаются, приводя к весьма значительному ущербу, причиняемому народному хозяйству. Если жидкость, хранящаяся в резервуаре, является горючей или высокотоксичной, то сочетание этих факторов неминуемо приводит к катастрофическим последствиям или экологическим бедствиям.
Цель работы заключается в разработке методики исследования колебания жидкости в резервуаре, определения гидродинамического давления жидкости на стенки вертикальных стальных цилиндрических резервуаров при сейсмических воздействиях, анализа напряженно-деформированного состояния оболочечной конструкции резервуара, а также оценки сейсмической надежности основания резервуара.
Для достижения поставленной цели предусматривается решение следующих задач:
-
Исследование повреждений вертикальных стальных цилиндрических резервуаров, выявленных в результате последствий сильных землетрясений;
-
Анализ существующих методов расчета строительных конструкций при сейсмическом воздействии и сравнения способов оценки надежности с учетом основных конструктивных параметров;
-
Разработка математических моделей, соответствующих системе «гибкий резервуар - вязкая несжимаемая жидкость», и расчет прочности корпуса резервуара;
-
Сопоставление результатов, полученных с помощью спектрального анализа, с результатами численных расчетов на основании метода
конечных элементов, полученных с помощью программного комплекса ANSYS-12;
-
Сравнение результатов расчетов в соответствии с последними российскими и зарубежными нормами по определению гидродинамического давления и динамической реакции взаимодействия корпуса резервуара с жидкостью в стальных вертикальных цилиндрических резервуарах при сейсмических воздействиях;
-
Исследование колебаний жидкости в резервуарах при сейсмических воздействиях с использованием следующих моделей: 1) динамическая модель движущейся жидкости в резервуаре, которая состоит из набора сосредоточенных масс с пружинами и демпферами. Для решения этой системы применяется программа MATLAB; 2) моделирование резервуара в программе ANSYS CFX-12 с использованием акселерограмм землетрясения в г. Табасе; 3) реализация колебания жидкости с помощью программы SIMULINK.
-
Анализ характера деформирования и напряженного состояния днища и оболочки резервуара у края основания (приподнимание оболочки и длина приподнятой зоны).
Научная новизна работы заключается в следующем:
-
-
Исследовано влияние геометрических параметров резервуаров и уровня их заполнения жидкостью на величины гидродинамических нагрузок, собственные частоты и формы колебаний, характер напряженно- деформированного состояния их конструктивных элементов.
-
На основе спектрального анализа с помощью программы ANSYS-12 выполнены расчеты по определению гидродинамического давления на стенки и динамической реакции взаимодействия корпуса резервуара с жидкостью при сейсмических воздействиях. Проведен анализ влияния импульсивной и конвективной составляющих гидродинамического давления на напряженно-деформированное состояние оболочки цилиндрического резервуара в зависимости от ее геометрических параметров.
-
Определены характер распределения импульсивного и конвективного давления, внутренние усилия и напряжения, образуемые гидродинамическим давлением взаимодействия корпуса стального вертикального цилиндрического резервуара с жидкостью в процессе сейсмического воздействия интенсивностью выше 9 баллов с помощью программы ANSYS-12.
-
Выполнено исследование характера деформирования и напряженного состояния днища и оболочки резервуара у края основания, с определением длины приподнятой зоны и величин сжимающих напряжений в стенке резервуара, обусловленных приподниманием.
-
Разработаны и реализованы алгоритмы, моделирующие колебания жидкости при различных ускорениях с помощью программных комплексов MATLAB-7.7, ANSYS CFX-12 и SIMULINK .
6. Выполнен сравнительный анализ полученных результатов расчета вертикальных цилиндрических резервуаров при сейсмических воздействиях с нормами ACI 350, AWWA, API 650, NZSEE и Eurocode 8.
Достоверность результатов обоснована сравнением и проверкой результатов, полученных при расчете вертикальных цилиндрических резервуаров по нормам ACI 350.3, AWWA, API 650, NZSEE и Eurocode 8.
Практическая значимость. Результаты проведенных исследований удобны для практического использования. Разработанные на их основе алгоритмы и программное обеспечение предназначены для моделирования колебания жидкости, высоты волны и гидродинамического давления на корпус резервуара при сейсмических воздействиях. Программные модули являются достаточно гибкими для их преобразования и дополнения и позволяют исследовать резервуары различной емкости при различных сейсмических воздействиях. Алгоритмы и программы могут оказаться полезными при проведении конкретных расчетов резервуаров заинтересованными проектными и научно-исследовательскими организациями.
На пакет программ для ЭВМ, разработанный на основе представленных в работе алгоритмов, получено 2 свидетельства о государственной регистрации.
Внедрение результатов. Результаты исследования нашли применение при расчетных обоснованиях прочности и надежности стальных вертикальных цилиндрических резервуаров для сейсмически опасных районов. Таким образом, представленная работа посвящена разработке методологического подхода к оценке надежности резервуаров при сейсмическом воздействии и является развитием нормативного подхода к расчету стальных вертикальных цилиндрических резервуаров.
Апробация работы. Отдельные результаты и работа в целом доложены:
-
-
-
III Всероссийский смотр научных и творческих работ иностранных студентов и аспирантов вузов, Томский политехнический университет,
-
г.
IV Международная научно-практическая конференция «Теория и практика расчета зданий, сооружений и элементов конструкций. Аналитические и численные методы», Москва, МГСУ, 2011 г.
XIV Международная межвузовская научно-практическая конференция молодых ученых, докторантов и аспирантов «Строительство - формирование среды жизнедеятельности», Москва, МГСУ, 2011 г.
V Всероссийский смотр научных и творческих работ иностранных студентов и аспирантов вузов, Томский политехнический университет,
г.
5th International Conference on Seismology and Earthquake Engineering (SEE5), Tehran, 2009.
Личный вклад соискателя. Настоящее исследование представляет собой результат работы соискателя по расчету на сейсмические воздействия наземных стальных вертикальных цилиндрических резервуаров для хранения нефти в условиях Ирана, в процессе которой были изучены труды русских и
зарубежных ученых в этой сфере. Диссертация выполнена соискателем самостоятельно, без участия других лиц.
Публикации. По результатам диссертационных исследований опубликовано 9 печатных работ, в том числе 4 в ведущих рецензируемых научных журналах, рекомендованных ВАК, а также получено 2 авторских свидетельства государственной регистрации программ для ЭВМ.
Объём и структура диссертации. Диссертация изложена на 175 страницах текста и состоит из введения, 6 глав, выводов и списка литературы из 95 наименований. Текст сопровождается 26 таблицами и 144 рисунками.
Похожие диссертации на Расчет на сейсмические воздействия наземных стальных вертикальных цилиндрических резервуаров для хранения нефти в условиях Ирана
-
-
-
-
